Date post: | 31-Dec-2015 |
Category: |
Documents |
Upload: | marco-taype-felix |
View: | 134 times |
Download: | 1 times |
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
DOCENTE: ING. MOISES LEUREYROS PEREZ
LIMA-PERÚ 2013
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
2
PROCEDIMIENTO PARA EFECTUAR LAS EXPERIENCIAS DE LABORATORIO DEL
CURSO ELECTRONICA ANALÓGICA II
1.- Las experiencias constarán de las tres partes siguientes:
a) INFORME PREVIO: Consiste en el desarrollo teórico de las
preguntas de la guía del experimento, de preferencia, usando un
programa de simulación. Su finalidad es preparar al alumno para
que sepa lo que va a realizar durante la experiencia. Por ello, el
informe previo deberá ser entregado al iniciarse la experiencia para
poder tener la nota respectiva
b) EXPERIMENTO: Consiste en efectuar todas las mediciones
indicadas en la guía, más las que el alumno deseara hacer por su
cuenta. Su finalidad es obtener datos reales para confrontarlos con
los teóricos calculados en el informe previo.
c) INFORME FINAL: Consiste en la respuesta al cuestionario dado en
la guía basándose en los datos obtenidos en el experimento y los
calculados teóricamente. Su finalidad es llegar a un conjunto de
observaciones y conclusiones explicando los fenómenos observados
basándose en la teoría estudiada. El informe final deberá ser
entregado al iniciarse la siguiente experiencia para poder tener la
nota respectiva.
2.- La calificación de los laboratorios se realizará mediante los siguientes
criterios:
PUNTUALIDAD: (1 punto) Para poder recibir esta nota, el alumno
deberá estar en la entrada del laboratorio a la hora en que se inicia
la experiencia.
ASISTENCIA: (Hasta 2 puntos) La asistencia a los experimentos es
obligatoria para poder lograr los conocimientos prácticos que
sustenten los conceptos teóricos.
TRABAJO: (Hasta 6 puntos) Aquí se evaluará la forma cómo los
alumnos del grupo se dividen el trabajo, sus conocimientos en el uso
de los instrumentos, las respuestas a las preguntas que haga el
profesor, el orden que tengan para hacer las mediciones, su interés,
dedicación, etc.
INFORME PREVIO: (Hasta 5 puntos) Aquí se evaluará, además de las
respuestas al cuestionario, el interés del alumno en profundizar sus
conocimientos incluyendo, él mismo, mayor información sobre la
experiencia propuesta.
INFORME FINAL: (Hasta 6 puntos) Aquí también se evaluará, además
de las respuestas al cuestionario, las observaciones realizadas y la
explicación de las mismas mediante la investigación respectiva.
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
3
INTRODUCCIÓN A CIRCUIT MAKER 2000
Es un simulador de circuitos analógicos, digitales y mixtos, basado en
Spice.
DIBUJO Y EDICION DE ESQUEMAS:
La herramienta ARROW permite realizar muchas funciones, tales
como:
- Editar dispositivos,
- Mover los dispositivos y conexiones,
- Seleccionar al componente, etc.
La herramienta WIRE sirve para poner los alambres de conexión
entre dispositivos. También permite hacer la conexión de buses usando
la tecla SHIFT y el botón izquierdo del ratón. Con la tecla ALT
presionada se pueden hacer líneas discontinuas.
La herramienta TEXT permite escribir en el circuito.
Con la orden OPTIONS / SCHEMATIC se puede variar el color y tamaño del
texto.
La herramienta DELETE permite borrar componentes y conexiones.
Para borrar conexiones se la debe marcar antes con la herramienta
DELETE, haciendo clic con el botón izquierdo del ratón. Al soltarlo, se
borra la conexión.
Pueden borrarse segmentos de una conexión haciendo clic con el botón
derecho y se elige DELETE WIRE SEGMENT.
La herramienta ZOOM permite ampliar (zoom in) o reducir (zoom out)
el esquema o gráfico.
La herramienta PROBE se emplea cuando está activada la
simulación y sirve para observar las ondas en los puntos que se toquen
con ella y también los niveles de tensión.
SIMULACIÓN ANALÓGICA Y DE SEÑALES MIXTAS:
Debemos asegurarnos que tenemos la información en SPICE de todos los
dispositivos. Se pueden usar todos los dispositivos de la librería: Device
Library, los cuales tienen su representación en Spice. En caso contrario
tendrá que ingresarse su información en Spice.
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
4
Para empezar se da la orden: SIMULATION / CHECK PIN CONNECTIONS
De esta manera el programa verifica que todas las conexiones del circuito
estén bien hechas.
A continuación se da la orden: SIMULATION / ANALYSES SETUP
Aparecerá otra ventana donde se eligirá el tipo de análisis que se quiera
hacer. Haciendo clic en el tipo de análisis deseado se ingresa a una nueva
ventana donde se pueden poner los parámetros que definen las
condiciones bajo las cuales se hará el análisis. Es importante tener cuidado
al definir estos parámetros para poder observar con detalle los resultados
En seguida se da la orden para hacer el análisis: RUN ANALYSES
Esta orden está en la ventana de ANALYSES SETUP o puede hacerse clic en
el ícono:
EJEMPLO:
Graficaremos y luego analizaremos con el simulador el circuito
amplificador clase A siguiente:
1kHz
V1-1/1V
+C110uF
+
C2100uF
+
-
VCC12V
R6
10k 36%
R510k 26%
Q12N2222
R41k
R3100
R2270
R13.9k
A
B
C
D E
Al ingresar a CIRCUIT MAKER al lado izquierdo de la ventana aparece el
panel de componentes.
Ponemos primero el transistor: Elegimos el ítem TRANSISTORS, luego BJTs y
seleccionamos: NPN Trans: B. En la parte superior del panel aparece la
imagen del transistor y, para ponerlo en el esquema, hacemos clic en
PLACE. Lo arrastramos hacia la posición que queremos y hacemos clic
izquierdo con el mouse para que se quede fijo en ese lugar. Si queremos
que el componente gire 90 grados, antes de fijarlo hacemos clic derecho.
Cuando ya se ha fijado el componente también podemos activar una
ventana con comandos aplicables al mismo haciendo primero clic
izquierdo sobre el componente y luego clic derecho.
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
5
El mismo procedimiento aplicamos para seleccionar y ubicar el resto de
componentes
Para las resistencias y potenciómetros elegimos el ítem RESISTORS
Para el generador de señales elegimos el ítem INSTRUMENTS / ANALOG
Para los condensadores elegimos el ítem CAPACITORS / POLAR CAP
Para la fuente de alimentación elegimos el ítem SOURCES / LINEAR / V
SOURCE
Para el nudo de referencia elegimos el ítem SOURCES / LINEAR / GROUND
Después de ubicados los componentes, a continuación procedemos a
hacer las conexiones entre ellos:
Hacemos clic en la herramienta WIRE. Llevamos el cursor al extremo de
uno de los componentes y aparecerá un rectángulo rojo. En ese instante
presionamos el botón izquierdo del ratón y, sin soltarlo, lo arrastramos hasta
el terminal del otro componente al que lo queremos conectar. Cuando
aparece el rectángulo rojo soltamos el botón y la conexión queda hecha.
Si la conexión no se hiciera, debemos repetir el proceso con más cuidado.
Se repite el proceso hasta terminar todas las conexiones. Con la
herramienta ARROW podemos cambiar de ubicación las conexiones para
darle una mejor presentación.
Terminadas las conexiones pasamos a editar los valores de los
componentes:
Para ello nos ubicamos con la herramienta ARROW encima del
componente y hacemos 2 clic izquierdos consecutivos. Aparecerá una
ventana donde podremos cambiar el valor y nombre del componente.
Este proceso lo repetimos para cada uno de los elementos.
En el caso del transistor, podremos elegir el tipo seleccionando del menú
que aparece en la ventana. Haciendo clic en el ícono PROPERTIES
accedemos a otra ventana con la que podemos variar la designación del
componente.
En el caso del potenciómetro, además de valor, podemos indicar la
posición del terminal móvil. Esta se indica mediante un porcentaje que
aparece, dejando un espacio, junto a su valor.
Finalizado el ensamblaje del circuito, debe ponerse el nudo de tierra. Esto
es importante porque el programa exige este nudo; en caso contrario
dará error. La tierra se coloca eligiendo en el panel al ítem: SOURCES /
LINEAR / GROUND.
El siguiente paso es iniciar el análisis haciendo clic en el ícono:
Aparecerá la siguiente ventana:
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
6
Vemos que están activados el análisis transitorio y del punto de operación.
Como nos interesan estos análisis, los dejamos así. También podemos
activar el análisis en AC para obtener la respuesta en frecuencia del
circuito.
El casillero: Always set defaults for transient and OP analices activa sólo el
análisis transitorio y punto de operación, cuando hay un check en él. Para
activar otros tipos de análisis, borre el check.
El siguiente paso es definir los parámetros bajo los cuales hará el análisis.
Haciendo clic en TRANSIENT / FOURIER aparece la siguiente ventana:
START TIME: Es el instante en que se inicia la simulación. En este caso se le
está diciendo que inicie en t = 0
STOP TIME: Es el instante en que termina la simulación. Como la señal de
entrada tiene frecuencia de 1 KHz, debemos indicarle que por lo menos
termine en 1 ms para poder ver un período completo. En nuestro caso se le
indica 2 ms
TIME STEP: El computador hace los cálculos usando métodos numéricos.
Por ello debe especificársele cada cuanto tiempo calculará el valor de la
onda de salida. Si las señales son lentas, se le debe dar un time sep
razonable para que no demore mucho haciendo cálculos y pueda verse
una onda continua. Si la señal es rápida, debe dársele un time sep
pequeño para obtener buena resolución.
MAX. STEP : Es el máximo time sep que se le permite usar.
FOURIER: Si activamos el análisis de Fourier, debemos especificarle la
frecuencia fundamental y el número de armónicas a considerar.
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
7
Haciendo clic en OPERATING POINT aparece la siguiente ventana:
En ella se habilita este análisis y se hace clic en OK.
Con este análisis se pueden obtener los voltajes y corrientes del punto de
operación, los voltajes promedio incluyendo las señales (que no
necesariamente coincidirán con los del punto de operación) y los valores
eficaces de las señales en los puntos que se marquen con la herramienta
PROBE.
Respuesta en Frecuencia:
Este análisis nos permite saber cómo varía la ganancia del circuito al variar
la frecuencia. Para ello:
Se habilita el análisis en AC y aparecerá la siguiente ventana:
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
8
En ella habilitaremos este análisis, indicaremos la frecuencia de inicio (en el
ejemplo está en 1 Hz), la frecuencia final (en el ejemplo está en 4 Hz). Estas
2 frecuencias definen el rango dentro del cual el programa determinará la
respuesta en frecuencia. En nuestro caso podríamos definir la frecuencia
inicial en 10 Hz y la frecuencia final en 100,000 Hz.
Es importante definir bien el número de TEST POINTS debido a que ello
permitirá obtener una gráfica con buena resolución. En el ejemplo el
número de test points es 3. Esto significa que el programa sólo calculará 3
valores y tendremos un gráfico donde estos 3 puntos estarán unidos por
segmentos. Para el rango de frecuencias propuesto (de 10 Hz a 100 KHz) 3
puntos de prueba no son suficientes. Para obtener una mejor resolución
debemos definir más puntos de prueba, no menos de 20 para nuestro
caso.
A continuación veremos los resultados de cada análisis para el circuito del
ejemplo:
PUNTO DE OPERACIÓN:
Parameter DC Bias DC Average AC RMS
B: c1_1 2.559 V 2.562 V 38.91mV
E: c2_1 1.881 V 1.896 V 21.33mV
D: r5_1 710.9mV 711.7mV 10.81mV
C: q1_3 6.956 V 7.194 V 3.420 V
A: r5_3 8.742 V 8.743 V 13.43mV
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
9
TRANSITORIO:
0.000ms 0.500ms 1.000ms 1.500ms 2.000ms
12.50 V
7.500 V
2.500 V
-2.500 V
A: r5_3
B: c1_1
C: q1_3
D: r5_1
E: c2_1
AC:
0.000kHz 20.00kHz 40.00kHz 60.00kHz 80.00kHz 100.0kHz
5.500 V
4.500 V
3.500 V
2.500 V
1.500 V
0.500 V
A: q1_3
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
10
LABORATORIO Nº 1
AMPLIFICADOR CLASE A CON CARGA EN COLECTOR
OBJETIVO:
Estudio del amplificador para lograr máxima excursión simétrica y máxima
potencia en la carga.
FUNDAMENTO TEORICO:
La cantidad de potencia que se le podrá entregar a una carga, tendrá un
límite establecido por las características del transistor. De sus curvas
características podremos apreciar dichas limitaciones:
1. Limitaciones de carácter térmico: La máxima potencia promedio que el
transistor puede disipar está limitada por la temperatura que la juntura
base-colector puede soportar. Por ello, todos los diseños de circuitos
incluirán un cálculo de las condiciones térmicas para asegurar que no
se exceda la máxima temperatura de juntura permitida.
Pc(W)
Pcmax
(-1/θjc)
0
Tc0 Tjmax
θjc= resistencia térmica entre juntura (j) y cápsula (c)
La potencia promedio (Pc) disipada en el circuito de colector es igual al
promedio del producto de la corriente del colector por el voltaje colector-
base. La máxima potencia promedio de colector permitida es
especificada por los fabricantes.
En el gráfico observamos que el transistor puede disipar la potencia
máxima hasta la temperatura de la cápsula Tc0 (comúnmente 25 ˚C).
Después de ella la disipación de potencia debe ser reducida. La magnitud
de la inversa de la pendiente recibe el nombre de Resistencia Térmica, y
es un parámetro dado por los fabricantes.
Limitaciones de carácter eléctrico: Relacionadas con la forma de las
curvas, pues cuando queremos amplificar una señal con la menor
distorsión posible, (clase A), se debe hacer trabajar el elemento activo en
su zona lineal (donde las curvas pueden considerarse líneas rectas,
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
11
equidistantes y paralelas). De las curvas se aprecia las limitaciones de
corriente y tensión en el funcionamiento del transistor.
a. BVCEO (“Break down”- tensión de colector – emisor – base abierta):
Para grandes tensiones de colector, las características pierden
linealidad debido a la ruptura en la unión de colector (similar al
efecto Zener o avalancha). En transistores de potencia estos valores
son entre 50 á 100 voltios.
b. max ic (máxima corriente de colector) para grandes corrientes de
colector, las características quedan muy juntas, perdiendo
linealidad y además sometiéndose a las uniones a dichas corrientes,
se puede dañar físicamente al transistor
c. max PC : En ocasiones no habrá señal de entrada en el amplificador
y luego, el punto de operación debe corresponder a una disipación
de colector que sea segura. Del gráfico anterior, además, se puede
observar otras dos zonas:
ZONA DE SATURACION
2
Ib = 0.2A
Ic (A)
ZONA
SEGURA
PARA
110
GRADOS
25
6 Ib = 0.4A
4
Ib = 0.1A
Ib = 0.6A
Ib = 0.5A
Ib = 0.3A
5
Vce,sat
0
10 Vce (V)
Ib = 0A
ZONA DE CORTE
152
Pcmax = 40W a 110 grados
8
ZONA
DE
RUPTURA
Pcmax = 150W a 25 grados
ZONA
SEGURA
PARA
25
GRADOS
20
Saturación: Para valores de VCE ≤ VCE,sat, se aprecia que la Ic es muy
grande con los resultados considerados en maxIc. Valores típicos son:
Transistores de Baja potencia
(Pc<1w) => Vce,sat = 0.1 á 0.3v
Transistores de potencia
(Pc>1w) => Vce,sat = 1 á 2v
Corte: Es el límite inferior de la corriente del colector, donde las curvas
también pierden linealidad. En nuestro estudio no se considera esta
zona.
d. El conjunto de las consideraciones anteriores, va a limitar en su
interior, la llamada región o zona activa, donde se obtendrá
amplificación lineal.
Los límites anteriores, comprenden las especificaciones del transistor,
las cuales serán proporcionadas por el fabricante en los manuales
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
12
respectivos y que deberán ser tomadas en cuenta en el diseño para
una operación adecuada.
Especificaciones:
maxIc
BVCEO
Pcmax = VCEQ ICQ
Desde luego también se debe especificar su β, fT, etc.
Si se grafican las especificaciones anteriores:
ANTES DE CORREGIR POR TEMPERATURA
Vce
ZONA DE OPERACION SEGURA
PARA EL TRANSISTOR
BVceo
DESPUÉS DE CORREGIR POR TEMPERATURA
Ic
donde: Pcmax adopta la forma de una hipérbola (equilátera respecto al
origen de coordenadas), que representa el lugar geométrico de todos los
puntos de operación en los cuales la disipación es exactamente Pcmax.
Hasta ahora, en las relaciones del análisis, no se han tomado en cuenta
los límites del transistor. La consideración de estos límites y especificaciones
permitirán la elección correcta del punto de operación.
Debe tenerse en cuenta lo siguiente:
1. De los gráficos anteriores, se observa que para operación segura, el
punto de operación debe ubicarse debajo o en la hipérbola de
disipación (la ya corregida por temperatura).
2. Además, la línea AC con pendiente (-1/Rac), debe pasar a través del
punto Q e intersectar el eje VCE a un voltaje menor que BVCEO y
3. Debe intersectar el eje iC a una corriente menor que max iC
o sea: 2VCC ≤ BVCEO (1)
2ICQ ≤ max iC (2)
Observación Importante: se debe tener presente que lo anterior es para
condiciones de máxima excursión simétrica, pues las rectas de alterna,
podrían cortar los ejes, más allá de dichos límites (desde luego en forma
indeseable para nuestro caso)
Luego, particularizando, para tener condiciones óptimas, si se desea
máxima excursión simétrica, se tendrá que cumplir:
IC0= (1/RL)VCEQ y con: Pc max = VCEQICQ
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
13
El punto Q será:
ICQ = (Pc max/RL)1/2 (3)
VCEQ = (Pc max * RL)1/2 (4)
Se ve que en el punto Q. La pendiente de la hipérbola es:
∂ iC / ∂ VCE = - ICQ / VCEQ = - 1 / RL
O sea, la pendiente de la línea AC es la misma que la pendiente de la
hipérbola y la línea AC es tangente a la hipérbola en el punto Q cuando
es lograda la máxima excursión simétrica.
recta dc
Vce
IcQ
Pcmaz
Ic = Vce / RL
BVceo
Q
recta ac
VceQ
Ic
Estas consideraciones son útiles para el caso de diseño.
Finalmente, en el caso más real y práctico, el otro límite a considerar en los
cálculos, es el impuesto por la región de saturación. En nuestra
configuración circuital: VCE,sat.
Estabilidad del punto de operación del transistor bipolar
Es necesario que el punto de operación se mantenga estable porque si se
desplaza, por variación de la temperatura, producirá distorsión a la señal
de salida. Las técnicas que permiten estabilizar el punto de operación
pueden clasificarse en dos categorías:
1) Técnicas de estabilización: Utilizan circuitos de polarización resistivos que
permiten que varíe IB, manteniendo IC relativamente constante ante
variaciones de ICBO, VBE y β.
2) Técnicas de compensación: Utilizan dispositivos sensibles a la
temperatura como termistores, transistores, diodos, etc. que entregan
corrientes y tensiones de compensación que mantienen al punto de
operación prácticamente constante.
Técnicas de estabilización:
El punto de operación de un transistor puede variar por cambios
sufridos en la corriente inversa de la juntura Colector – Base (ICBO), por las
variaciones de la tensión Base–Emisor (VBE) y de la ganancia (β).
La variación de la corriente de colector debido a estos parámetros
podemos expresarla aproximadamente por:
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
14
ΔIC = SI ΔICBO + _SV ΔVBE + Sβ Δβ
SI = Factor de estabilidad de corriente.
SV = Factor de estabilidad de tensión.
Sβ = Factor de estabilidad de ganancia.
ΔIC = Variación total de la corriente de colector.
ΔICBO = Variación total de la corriente ICBO
ΔVBE = Variación total de la tensión Base-Emisor
Δβ = Variación total de ganancia de corriente
Cada factor de estabilidad puede determinarse asumiendo que las
demás variables son constantes.
El factor de estabilidad SI se obtiene con la siguiente ecuación:
SI = ΔIC / ΔICBO , cuando: ΔVBE = 0 y Δβ = 0
Mientras más grande es SI, el punto de operación es más inestable. El
mínimo valor posible de SI es 1.
Los circuitos que estabilizan el punto de operación respecto a variaciones
de ICBO, también se comportan satisfactoriamente ante variaciones de
VBE y β. Por ello, basta obtener un buen factor de estabilidad SI.
La ecuación general que gobierna la corriente de colector del transistor
es:
IC = β IB + (1 + β) ICBO
Derivando respecto a IC obtenemos:
SI = (1 + β) / (1 – β dIB / dIC)
De esta ecuación concluimos que para valores grandes de β, SI se
aproxima a la unidad.
El término dIB / dIC se obtiene a partir del circuito que utilicemos. Para el
cálculo de SI se considera que VBE y β no varían.
Tomemos como ejemplo el siguiente circuito, cuyo equivalente de
thevenin se encuentra a la derecha:
En la malla Base-Emisor podemos plantear la siguiente ecuación:
VBB = IB Rb + VBE + (IC + IB) Re
Derivando esta ecuación respecto a IC obtenemos:
dIB / dIC = - (Re / (Re + Rb))
Reemplazando en la ecuación de SI obtenemos:
SI = (1 + Rb / Re) / (1 + (Rb / (1 + β)Re))
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
15
R2+
VBB
-
RbQ
R1RcRc
Re
VCC VCC
Re
Q
Si hacemos: Rb = (1 + β) Re / 10,
obtenemos SI = (11 + β) / 11
Para un valor de β = 50 , se tiene: SI = 5.55; el cual es un buen factor, siendo
3 el valor óptimo. También observamos que si β es más grande, el factor
de estabilidad empeora. Por ejemplo, si: β = 100, SI = 10.1. En este caso el
factor de estabilidad ha aumentado y tendremos que elegir otra relación
de Rb con Re para mantener SI pequeño.
Más adelante veremos las técnicas de compensación.
Los condensadores Ca1 y Ca2 sirven como acoplamiento de la señal de la
fuente ii, con el dispositivo amplificador y de la carga RL. El condensador
Ce sirve como desacoplo de la señal en el circuito de emisor, evitando la
disminución de la amplificación como se verá posteriormente.
Para consideraciones del análisis matemático se asume que las
capacidades son muy grandes (C ∞) , de modo que las frecuencias de
trabajo presentan una reactancia muy pequeña pudiendo considerárseles
como cortocircuitos. En consideraciones prácticas o reales, los valores a
escoger deben cumplir con el criterio anterior. Así, por ejemplo, el
condensador Ce debe ser tal que presente una reactancia Xce mucho
menor que “la impedancia que ve”, la cual es Re en paralelo con la
impedancia de entrada del transistor “reflejada” al emisor (se verá en
parámetros híbridos). Xce puede considerarse unas 10 a 100 veces menor,
no debiendo elegirse una capacidad excesivamente grande, pues
pueden haber problemas de tamaño, transitorios, respuesta de
frecuencia, corrientes de pérdida, etc.
Si se trabaja no en una frecuencia, sino en un rango (caso de AF de 20 Hz
a 20 KHz), la reactancia se calcula con la frecuencia más baja.
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
16
MATERIAL Y EQUIPO:
01 Transistor 2N2222 01 Osciloscopio
01 Resistor de 100Ω, 0.5W 01 Generador de
01 Resistor de 300Ω, 0.5W 01 Fuente de alimentación
01 Resistor de 1KΩ, 0.5W 03 Puntas de prueba
01 Resistor de 3.9KΩ, 0.5W 01 Protoboard
01 Potenciómetro de 1KΩ
01 Potenciómetro de 10KΩ
02 Condensadores electrolíticos de 10uF y 100uF, 16V
PROCEDIMIENTO:
1.- Ensamble el siguiente circuito:
C2100uF
R41K
Vg
C
+ 12 V
Q12N2222
E
R2300
R610K
H
R51K
R3100
R13.9K
+
Vi
-
B
C1
10uF
F
G
2.- Aplique la señal de entrada Vg con mínimo voltaje y frecuencia de 1
KHz
El potenciómetro de R5, de 1KΩ, se usará para ajustar el punto de
operación en el centro de la recta de carga dinámica y lograr máxima
excursión simétrica aumentando Vg.
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
17
El potenciómetro R6 se usa para reducir más la señal de entrada, debido a
que la salida mínima del generador a emplear es de 200 mV
Mida la señal de salida en el colector respecto a tierra, usando el
osciloscopio.
3.- Conecte el osciloscopio a la salida y aumente Vi hasta que ambos
picos de la onda se recorten a la vez (máxima excursión simétrica).
Si uno de ellos se recorta primero, ajuste el potenciómetro de 1KΩ para
variar el punto de operación y conseguir que los dos picos se recorten a la
vez.
Anote los valores pico:
Vi =.................. ;
Vsalida (pico positivo) =.........................
Vsalida (pico negativo) =.........................
4.- Mediciones en DC:
Haga: Vi = 0
Mida la tensión en el punto C respecto a tierra:
VC =.......................
Mida la tensión en el punto E respecto a tierra:
VE =.......................
Mida la tensión en el punto B respecto a tierra:
VB =.......................
Mida la tensión en el punto F respecto a tierra:
VF =.......................
Mida la tensión en el punto G respecto a tierra:
VG =.......................
Mida la tensión en el punto H respecto a tierra:
VH =.......................
Halle el punto de operación:
ICQ = (VF – VC) / 300 VCEQ = VC – VE VBEQ = VB - VE
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
18
4.- Con el nivel de Vi del paso 3 mida la respuesta en frecuencia del
circuito:
F
(Hz)
100 500 1K 2K 5K 10K 20K 30K 50K 70K 100K
Vsalida
(Vpico)
5.- Saque la capacidad de 100uF del emisor y observe lo que pasa con la
señal de salida.
Ajuste Vi para obtener máxima excursión simétrica y mida los voltajes pico
positivo y negativo de la señal de salida.
Anote los valores pico:
Vi = .................. ;
Vsalida (pico positivo) = .........................
Vsalida (pico negativo) = .........................
INFORME PREVIO:
1.- Haga los cálculos empleando el simulador CIRCUIT MAKER o similar.
Ajuste la frecuencia del generador a 1 KHz.
2.- Ajuste el potenciómetro de 1 KΩ para lograr máxima excursión
simétrica.
Si requiere variar la señal de entrada, ajuste también el potenciómetro R6,
de 10KΩ.
3.- Determine los voltajes continuos en todos los nudos del circuito.
Determine el punto de operación del transistor.
4.- Determine la máxima tensión de señal de salida; también las potencias
DC y AC que disipan todos los componentes. Determine también la
corriente total que consume el circuito.
5.- Usando el mismo transistor, analice con el simulador la posibilidad de
reducir la distorsión de la señal de salida variando la pendiente de la recta
de carga dinámica. ¿Qué valores de componentes se requieren?
6.- Determine la respuesta en frecuencia del circuito.
¿Por qué se distorsiona la señal de entrada?
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
19
7.- Haga una tabla con todos los valores teóricos obtenidos con el
simulador.
INFORME FINAL:
1.- Haga una tabla comparando los valores teóricos con los valores
experimentales.
2.- ¿Por qué en el paso 3 las tensiones pico de salida son diferentes?
3.- ¿Por qué en el paso 5 los voltajes pico tienden a ser iguales?
4.- ¿Por qué la ganancia en frecuencias bajas y en frecuencias altas baja
respecto al rango de frecuencias medias?
5.- Haga el gráfico de la respuesta en frecuencia y determine hasta dónde
llega el rango de frecuencias bajas y dónde empieza el rango de
frecuencias altas?
6.- Con las mediciones efectuadas, ¿Cuál es la máxima potencia de señal
entregada a la carga y cuál es la eficiencia del circuito?
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
20
LABORATORIO Nº 2
AMPLIFICADOR DE SIMETRIA COMPLEMENTARIA
OBJETIVO:
Estudio del funcionamiento del amplificador de simetría complementaria
FUNDAMENTO TEORICO:
En el amplificador push-pull (en el cual se utilizan dos transistores del mismo
tipo), se requiere para su funcionamiento de dos excitaciones desfasadas
180º, una con respecto a la otra, para aplicarlas a las bases de los
transistores y así obtener una salida completa. Este desfasaje se logra con
un transformador cuyo secundario tenia dos salidas con punto común. A
continuación se verá cómo se evita usar transformadores en la entrada y
en la salida, a requisito de que se usen dos transistores complementarios
(uno NPN y otro PNP). Tal amplificador es llamado AMPLIFICADOR DE
SIMETRIA COMPLEMENTARIA.
Se denominan transistores complementarios (o par machado o matched
pair) a un par de transistores tipo PNP y NPN cuyas características de
ganancias, potencias, etc. son iguales o muy similares.
Las ventajas y desventajas de estos amplificadores en comparación con
los amplificadores push-pull se enumerarán posteriormente.
CIRCUITO BASICO:
+
Vin
-
+
V1 = VCC/2
-
Q2
Parlante
+
V2 = VCC/2
-
VCC
Q1
Fig. 1: Circuito básico de un amplificador de simetría complementaria.
La condición que deben cumplir V1 y V2 es que polaricen de tal modo a
Q1 y Q2 que estos trabajen simétricamente y en clase B (corrientes en
reposo cero).
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
21
Se hace V2 = VCC/2 a fin de que VCEQ1 = VCEQ2 = VCC/2 y los dos transistores
estén al corte simultáneamente (clase B). De lo contrario, si V1<V2,
entonces conducirá Q1 y se cortará Q2 (ICQ1>0, ICQ2=0); y si V2<V1 entonces
conducirá Q2 (ICQ2>0, ICQ1=0), lo cual nos permite una operación simétrica
de los transistores.
La tensión en la unión de los emisores será:
VE = VCC/2
Se puede ver con las condiciones anteriores que:
VBE1 = VBE2 = 0 e ICQ1= ICQ2 =0
Podemos ver ahora qué ocurre cuando la tensión de señal Vin toma
valores positivos y negativos.
Fig.2a. Semiciclo positivo de Vin
Q1 conduce, Q2 cortado Fig.2b.Semiciclo negativo de Vin Q2 conduce, Q1 cortado
IL2
V1 = VCC / 2
IL1
Q1
Q2Parlante
Q2
E
VCC
V2 = VCC / 2
E
RL
Parlante
E
+
Vin
-
RLBB
E
V1 = VCC / 2
Q1
-
Vin
+
VCC
V2 = VCC / 2
IL2
V1 = VCC / 2
IL1
Q1
Q2Parlante
Q2
E
VCC
V2 = VCC / 2
E
RL
Parlante
E
+
Vin
-
RLBB
E
V1 = VCC / 2
Q1
-
Vin
+
VCC
V2 = VCC / 2
En el semiciclo positivo de Vin la tensión en bases se hace más positiva que
la tensión en los emisores:
VB > VE
Lo cual hace que Q1 conduzca y Q2 permanezca en corte.
El sentido de las corrientes se indican en la fig 2a y 2b, nótese que IL1 = ie1
Para el semiciclo negativo VE>VB, lo cual abre a Q1 y hace conducir a Q2.
La corriente en la carga es: IL2 = ie2.
De este modo, la carga está alimentada medio ciclo de Vin por Q1 y el
otro medio ciclo por Q2
DISTORSION DE CRUCE: Debido a que las características de entrada base-
emisor de los transistores reales es tal que para tensiones pequeñas base-
emisor, el transistor prácticamente no conduce. Recién este comienza a
hacerlo cuando se supera cierto valor (la tensión de codo o tensión
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
22
umbral, Vγ), que es aproximadamente 0.2V para transistores de Ge y de
0.6V para los de Si.
La tensión de salida tiene la forma que se observa en el siguiente gráfico:
0.000ms 1.000ms 2.000ms 3.000ms 4.000ms 5.000ms
6.300 V
6.100 V
5.900 V
5.700 V
A: q1_3
Fig. 3
Se puede notar en la fig.5 que existe cierta zona alrededor de los puntos
Vb = 0, para los cuales ninguno de los transistores conduce, lo que acarrea
una distorsión en la forma de onda en la salida (proporcional a la señal iB1
– iB2), llamada distorsión por cruce (o de cross over). Esta distorsión se evita
polarizando directamente las junturas base-emisor de Q1 y Q2 de modo
que exista entre ellas una tensión igual a la tensión de codo.
Una forma simple de lograr esto es, colocando una resistencia (de
pequeño valor) entre las bases de Q1 y Q2 de modo que se ocasiona una
caída de tensión en ella suficiente para tener polarizados ligeramente a los
transistores (ver fig. 4).
R4R
ECa1
VCC
+
Vin
- Q3
RL
C2
Q2E
R2
+
Vrd
-
IL1
R1
Ird
VDD
RD
Q1
Parlante
Fig. 4
Vrd = Ird RD = VBE1-VBE2
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
23
RD se escoge de modo que cumpla con la anterior ecuación con: VBE1 =
VBE2 = 0.2 (Ge) ó 0.7 (Si)
La elección de RD para polarizar adecuadamente la juntura base-emisor
de Q1 y Q2, es un poco delicada, debido a que una pequeña variación
de la tensión VBE provoca grandes cambios de corriente de colector, por
lo cual, con un valor demasiado pequeño de VRD no se eliminará
satisfactoriamente la distorsión de cruce. En cambio, si la tensión es
demasiado grande, trae como consecuencia distorsión para niveles
grandes de señal, ya que cada transistor conducirá más de medio ciclo, lo
cual hará que las corrientes de conducción se traslapen con las corrientes
que deja conducir el otro transistor.
Prácticamente entonces, el amplificador debe trabajar en clase AB. Pero
la corriente de colector, para evitar la distorsión de cruce, es tan pequeña
que se puede decir que su forma de trabajo es clase B. La polarización de
las junturas base-emisor se hace para que cumpla dos funciones:
a) Evitar la distorsión de cruce o “cross-over”
b) Estabilizar la polarización de Q1 y Q2 contra variaciones de
temperatura.
La forma más simple de polarizar en clase AB es mediante una red
resistiva. Este esquema no es satisfactorio debido a que si la polarización es
poca, la distorsión de cruce sigue siendo severa y, si es mucha, la corriente
de colector será alta, los transistores disiparán más potencia pudiendo
destruirse o acortar drásticamente su tiempo de vida y la eficiencia
disminuirá. Este tipo de polarización es más efectivo cuando la fuente de
alimentación es regulada pero no permite la compensación por variación
de temperatura en las junturas base-emisor.
COMPENSACION DE LA POLARIZACION CONTRA VARIACIONES DE
TEMPERATURA
Para obtener mejor regulación y compensación de temperatura con la
red resistiva, se conecta uno o dos diodos entre las bases de ambos
transistores. Estos diodos deben elegirse cuidadosamente para permitir la
exacta caída de voltaje necesaria. Pero, si esta polarización cambia con
la edad del equipo, la polarización también sufrirá cambios.
En la fig.4 se puede notar que la tensión base-emisor de los transistores
esta determinada por la caída de tensión en la resistencia de polarización
RD, lo cual dará una cierta corriente de colector pequeña a Q1 y Q2 a fin
de que eviten el cross over, el cual como se mencionó debe tener un valor
óptimo para evitar distorsión.
Pero, si por cualquier motivo (variación de temperatura ambiente,
calentamiento del transistor, etc.) la temperatura del transistor varía, esto
causa una variación de la tensión base-emisor (aproximadamente –
2mV/ºC), lo cual ocasionará una variación de la corriente de colector que
puede llevar a clase C al amplificador (para bajas temperaturas) o a clase
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
24
A (para altas temperaturas) lo cual ocasionará gran distorsión y/o
disipación de potencia.
Una forma de evitar estos efectos indeseables es haciendo que la tensión
VRD varíe de manera similar a la variación de VBE con temperatura, lo cual
se logra colocando en lugar de RD un termistor NTC* (Negative
Temperature Coefficient) de similar coeficiente de temperatura que el
diodo base-emisor. De esta forma la tensión en el termistor disminuirá del
mismo modo como VBE disminuye manteniendo siempre la corriente de
colector (proporcional a la corriente de base) en un valor casi constante.
La fig.5 muestra 4 formas típicas de polarización. En la fig. 4a se coloca
una resistencia en paralelo con el termistor con el fin de aproximar su
coeficiente de temperatura equivalente al del diodo base-emisor.
Las fig. 5b y c muestran la polarización por diodo, estos trabajan
polarizados en sentido directo y deben exhibir el mismo coeficiente de
temperatura que el correspondiente a los diodos base-emisor de los
transistores. LA fig. 5d muestra el empleo de realimentación negativa por
medio de resistencias en los emisores.
Rd1
(c)
VCC
Q1
D
VCCQ1
Re+
Vd
-
Q2
(a)
Rd
Q2
+
Vd
-
(b)
VCC
Q2
(e)
Q1
tNTC
VCC
Q1
Rd2
Q2
Re
Rd
Fig. 5: Formas típicas de polarización
Rd1 ayuda a conseguir la necesaria polarización a B-E y RD2, RD3 sirven
como divisores de tensión cuando VD es mayor que la necesaria para
polarizar la base-emisor.
Se aumenta mucho más la estabilidad contra variaciones de temperatura
colocando resistores en los emisores de los transistores.
Las combinaciones de los casos a, b, c y d ofrecen una gran estabilidad
de la corriente de colector de los transistores contra variaciones de
temperatura.
Los problemas anteriores son eliminados en forma más efectiva cuando se
emplea un transistor regulador. Dado que el punto de operación,
extremadamente crítico, es difícil de mantener, podemos usar un transistor
regulador de voltaje y lograr controlar fácilmente al punto de operación
mediante un potenciómetro.
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
25
En la figura 6, Q1 y Q2 forman el amplificador de simetría complementaria.
El transistor Q3 se encarga de controlar en forma precisa el punto de
operación de Q1 y Q2, actuando como regulador. También compensa
automáticamente contra variaciones de temperatura. El potenciómetro
permite ajustar en forma precisa el punto de operación.
La entrada es aplicada mediante dos condensadores de acoplo.
Entrada
500K
RLQ2
-VCC
10K
+VCC
10K
10uF
Q1
10uF
Q3
Fig. 6
PUNTOS DE OPERACIÓN
Sea el circuito: VCC
RL
Q1
Re
Entrada
C
Q3
E
VDD
R1
R3R2
C1 Q2
Re
R4
Hacemos las siguientes aproximaciones (justificadas en la práctica):
Re << RL (resisencia del parlante)
Q1 complementario de Q2
β1 = β2 >>1
ic ie
En continua:
Como VE = Vcc/2
Vcc/2 = VCE1 + IC1RL ...............(1)
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
26
Vcc/2 = VCE2 + IC2RL ………...(2)
Pero como los transistores están polarizados al corte:
ICQ1 = ICQ2 =0
Entonces:
De (1) VCE1Q = Vcc/2 ..... (3) Recta de carga d.c. para Q1
De (2) VCE2Q = Vcc/2 ..... (4) Recta de carga d.c. para Q2
Dado que ICQ1 = ICQ2 = 0 el punto de operación ya esta determinado.
Las siguientes ecuaciones son válidas para a.c.
Vce1 = -ic1Re – ic1RL = -ic1 ( Re + RL) ......... (5)
Vce2 = -ic2 ( Re + RL) ................(6)
Pero poder graficar estas rectas en el plano Ic vs. Vce es necesario hacer
el cambio de coordenadas con ayuda de las siguientes relaciones.
ic = iC - ICQ ..........(7)
Vce = vCE - VCEQ ………(8)
(7) y (8) en (5):
vCE1 – VCEQ1 = - (iC1 – ICQ1)(Re+RL)
Pero como:
ICQ =0 y VCEQ = Vcc/2
Se tiene
VCE1 = (Vcc/2) – iC1 (Re+RL).............(9)
Y en forma análoga:
VCE2 = (Vcc/2) – iC2 (Re+RL)………..(10)
En la practica se hace RL >> Re a fin de que no haya demasiada pérdida
de potencia en Re. Entonces (9) y (10) se convierten en:
VCE1 = (Vcc/2) – ic1Re.... (11) recta de carga a.c. para Q1
VCE2 = (Vcc/2) – ic2Re……….(12) recta de carga a.c. para Q2
Estas rectas de carga a.c. deberán pasar por el punto Q, entonces
bastará buscar el otro punto de la recta.
Cuando
VCE1 =0 ic1 = icmax = Vcc/2RL ………(13)
VCE2 =0 ic2 = icmax = Vcc/2RL ………(14)
ic1max = ic2max
Se puede ver que Q1 conduce medio ciclo de corriente, en este medio
ciclo hay una tensión alterna en el colector – emisor debido a la tensión
alterna en la carga (parte sombreada de VCE1). El semiciclo en el cual Q1
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
27
esta abierto, ic1 =0, pero aparece una tensión VCE1, debido a la tensión que
aparece en Rc por al corriente que conduce Q2.
Similar análisis se hace para Q2. La parte sombreada de VCE2 se debe a la
tensión que cae a través de RL por conducción de Q2. El otro semiciclo se
debe a Q1.
CÁLCULOS DE POTENCIA
Como ya se vió, Q1 y Q2 trabajan en forma simétrica, de modo que en lo
sucesivo designaremos a las variables sin subíndices.
POTENCIA ENTREGADA A LA CARGA: PLac
Potencia máxima en la carga PLac máx ocurre cuando Icm alcanza su
máximo valor teórico:
Icm = Vcc/2RL en (15)
PL = V2cc/8RL = PLacmax ..... (16)
Potencia para cualquier valor de Icm
PLac = (iLeff)2RL = (Icm/)2RL
PLac = (Icm)2RL/2…………………...(15a)
POTENCIA ENTREGADA POR LA FUENTE (Pcc).
icc = corriente que circula por la fuente
Icc = Icmax/ valor medio de icc
Pcc = VccIcc = VccIcm/ ................(17)
La potencia máxima entregada por la fuente ocurre cuando:
Icm = Vcc/2RL
Luego:
Pccmax = V2cc/2RL ..........(18)
POTENCIA DISIPADA EN COLECTOR (Pc).
Se puede observar que Q1 y Q2 solo disipan potencia en el semiciclo en el
cual conducen, ya que en el resto del ciclo la corriente a través de ellos es
cero. Podemos plantear lo siguiente:
PCC = PC1 + PC2 + PL
la potencia disipada en cada colector es Pc; entonces:
2PC = PCC - PL
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
28
VALOR MÁXIMO DE Pc.
Dado que los transistores son dispositivos no lineales, Pcmax no tiene
porque ocurrir para Icm máxima. Hallamos entonces el valor Icm para el
cual ocurre la máxima disipación de colector .
(dPc/dIcm) = (Vcc/2) – (2IcmRL/4) = 0
De donde:
Icm = Vcc/RL ...............(20)
Reemplazando en (19) obtenemos:
Pcmax = V2cc/42RL ...............(21)
EFICIENCIA DEL CIRCUITO
= PLac/Pcc = ((I2cmRL)/2)/ (VccIcm/ ) ……………(a)
En condiciones máximas, cuando: Icm = Vcc/2RL
Reemplazando en (a)
Max = /4 = 0.785
Max en %= 78.5%
FIGURA DE MERITO F
F = Pcmax / PLmax ………………(b)
(16) y (21) en (b) se tiene:
F = 1/5
Estos valores de , F, como se recordará, son los mismos que se pueden
lograr teóricamente con los amplificadores Push-Pull clase B.
En la experiencia ae utilizará un amplificador operacional para asegurar
que los transistores se polaricen con la misma tensión.
MATERIAL Y EQUIPO:
01 Transistor 2N2222 01 Osciloscopio
01 Transistor 2N3906 01 Generador de
01 Opamp LM741 01 Fuente de alimentación
01 Resistor de 220Ω, 1W 03 Puntas de prueba
01 Potenciómetro de 10KΩ 01 Protoboard
01 Potenciómetro de 1KΩ
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
29
PROCEDIMIENTO:
1.- Ensamble el siguiente circuito:
Verifique las conexiones de las tensiones DC aplicadas al amplificador
operacional, antes de encender el circuito
- 12 V
R1
10K
+ 12 V
Q12N2222
-
+LM7413
26
74
R21K
R31K
RL220
Vg
Q22N3906
E
B
R410K
2.- Mediciones en DC:
Poner: Vg = 0
Mida la tensión en el punto E respecto a tierra:
VE = .......................
Mida la tensión en el punto B respecto a tierra:
VB = .......................
Mida la tensión en el pin 2 del 741:
V2 = .......................
Mida la tensión en el pin 3 del 741:
V3 = .......................
3.- Aplique la señal de entrada Vg con frecuencia de 1 KHz, Aumente Vg
hasta que se obtenga máxima excursión simétrica en la salida.
Anote los valores pico:
Vg =_______________ ; Vsalida = ____________
Dibuje las formas de onda en los puntos B y E
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
30
4.- Con el nivel de Vg del paso 3 mida la respuesta en frecuencia del
circuito:
F
(Hz)
100 500 1K 2K 5K 10K 20K 30K 50K 70K 100K
Vsalida
(Vpico)
5.- Desconecte el resistor R4, de 10 KΩ, del punto E y conéctelo al punto B
Reduzca Vg para obtener en la salida 3 Voltios pico
Dibuje la forma de onda de salida.
Dibuje la forma de onda en el punto B.
INFORME PREVIO:
1.- Haga los cálculos empleando el simulador CIRCUIT MAKER o similar.
Ajuste la frecuencia del generador a 1 KHz.
2.- Ajuste el voltaje del generador para lograr máxima excursión simétrica.
3.- Determine los voltajes continuos en todos los nudos del circuito.
4.- Determine la máxima tensión de señal de salida; también las potencias
DC y AC que disipan todos los componentes. Determine también la
corriente total que consume el circuito.
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
31
5.- Conectando la resistencia de realimentación de 10 KΩ a la base de los
transistores en vez de a la salida, analice con el simulador la forma de
onda en la carga y compárela con la onda de entrada.
6.- Determine la respuesta en frecuencia del circuito.
¿Por qué se distorsiona la onda de salida al aumentar la frecuencia?
7.- Haga una tabla con todos los valores teóricos obtenidos con el
simulador.
INFORME FINAL:
1.- Haga una tabla comparando los valores teóricos con los valores
experimentales.
2.- ¿Por qué la tensión pico de salida no llega a ser igual a la tensión de la
fuente?
3.- ¿Por qué las tensiones en los pines 2 y 3 del operacional tienden a ser
iguales?
4.- ¿Por qué la tensión de señal de salida está en fase con la entrada?
5.- Haga el gráfico de la respuesta en frecuencia de la ganancia y
explique por qué tiene la forma medida?
6.- ¿Qué conclusiones saca de las mediciones de las formas de onda en
los pasos (3) y (5)?
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
32
LABORATORIO Nº 3
REALIMENTACION NEGATIVA
OBJETIVO:
Estudio de los efectos de la realimentación negativa
FUNDAMENTO TEORICO:
La realimentación es, en general, un proceso que consiste en la
transferencia de energía presente en la salida de un sistema a la entrada
del mismo (o a otras entradas internas o subsiguientes). En el caso de los
circuitos electrónicos, consiste en tomar parte o toda la salida de corriente
o tensión que hay en la salida y llevarla a la entrada.
Este proceso puede realizarse de una manera externa o producirse por
efectos internos de los dispositivos y componentes empleados en el
circuito, como por ejemplo las capacidades parásitas . Es un proceso tan
fundamental en los circuitos electrónicos, como lo son la amplificación y la
rectificación. Además de estar presente en muchísimos circuitos, es la base
del funcionamiento de los sistemas que emplean Amplificadores
Operacionales.
SISTEMA REALIMENTADO. DEFINICION DE TERMINOS:
Un sistema realimentado se puede representar por medio de
diagramas de bloques, como se muestra:
Xe
A
Xi M Xo
A
+/- Xf
Fig. 1
Donde:
A y B son las ganancias de transferencia directa de los bloques
respectivos.
A es la ganancia sin realimentación.
B es la ganancia del sistema realimentador.
Af es la ganancia de transferencia directa del sistema realimentado
(ganancia con realimentación o ganancia de lazo cerrado).
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
33
Xi es la variable de entrada (tensión o corriente) del sistema
realimentado. Proviene de una fuente externa.
Xo es la variable de salida del sistema realimentado (tensión o
corriente).
Xf es la variable de salida del sistema realimentador.
Xe es la variable de comparación o error entre la variables Xi y Xf
M es el punto de muestreo de la variable de salida (punto de toma
de la variable a realimentar).
T es la ganancia de bucle. (T = ± AB)
En el diagrama anterior es importante tener en cuenta que se ha
asumido que los bloques son unilaterales en cuanto a sus entradas y
salidas, las cuales tienen los sentidos indicados por las flechas.
De la figura 1: Af = Xo/Xi (1)
Xf = Xi ± Xf (2)
A = Xo/Xe (3)
B = Xf/Xo (4)
(2) en (3): Xo = A(Xi ± Xf)
De (4) : Xo = A(Xi ± Bxo)
Xo = AXi ± ABXo
Xo -/+ ABXo = AXi
Xo(1 -/+ AB) = AXi
Por lo tanto: Xo/Xi = A / (1 -/+ AB)
De (1):
Af = A / (1 -/+ AB) = A / (1 – T) (5)
Si A y B son funciónes de la frecuencia, la expresión (5) se escribirá como:
Af(jw) = A(jw) / (1 – T(jw)) (6)
CLASES DE REALIMENTACION:
Se le puede clasificar como negativa o positiva.
REALIMENTACIÓN NEGATIVA O DEGENERATIVA:
Ocurre cuando la señal (o variable) de realimentación produce una
disminución de la señal o variable de salida. La expresión de la ganancia o
función de transferencia es:
Af = A / (1- T); donde: T < 0 (7)
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
34
En este caso se observa que Af < A; es decir, la realimentación negativa
disminuye la ganancia. Además, si se cumple AB >> 1 entonces: Af = 1 / B y
la ganancia con realimentación se hace independiente de la ganancia
sin realimentación. Si además se hace a B independiente de la frecuencia,
Af también lo será.
REALIMENTACIÓN POSITIVA O REGENERATIVA:
Ocurre cuando la señal (o variable) de realimentación produce un
aumento de la señal o variable de salida. La expresión de la ganancia o
función de transferencia es:
Af = A / (1- T); donde: T > 0 (8)
En este caso se observa que Af > A; es decir, la realimentación positiva
aumenta la ganancia.
CRITERIO DE BARHAUSEN – ESTABILIDAD:
Si se está llevando a cabo una realimentación positiva, puede llegar a
ocurrir la siguiente situación:
De (8): Si 1 – T = 0, entonces: Af = Xo / Xi = ∞
Lo anterior significa que el sistema puede entregar una salida Xo aún
cuando Xi = 0
Cuando el circuito actúa de esta manera, recibe el nombre de oscilador.
En general, A, Af, T y B pueden depender de la frecuencia. Usando la
transformada de Fourier, lo anterior puede expresarse como:
( ) 1 0oT jw
Entonces:
Si:
( ) 1 0(8)
( ) 1 0
o
o
T jw oscila
T jw estable
Otra forma de escribir (8) es:
T(jw) = Re(T(jw)) + Im(T(jw)) =1 0° = 1 + j0
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
35
USOS DE LA REALIMENTACIÓN
La realimentación se puede emplear para aprovechar los siguientes
efectos que produce:
1.- Altera las ganancias del amplificador al que se le aplique:
Ya se ha visto que la ganancia con realimentación es dada con la
fórmula:
Af = A / (1 –T)
Donde: A = ganancia sin realimentación.
T = ganancia de bucle.
Vemos que la ganancia sin realimentación es dividida por la expresión (1 –
T) producida por el lazo de realimentación.
2.- Alteración de las impedancias de entrada y salida: Las
impedancias de entrada y de salida sin realimentación son afectadas
también por la expresión (1 – T). Pueden ser multiplicadas o divididas por
ella, según la forma de realimentación que se utilice.
3.- Reducción de los disturbios internos: Esto puede notarse en el
siguiente diagrama de bloques donde ingresa un disturbio N(s)
+
Xe
A
Xi
N
M Xo
A2A1
+
+/- Xf
La función de transferencia total es:
Af = [A2 / (1 – T)] N + [A1A2 / (1 – T)] Xi;
donde: T = - A1 A2 B
Vemos que el disturbio, N, ha sido reducido por el factor (1 – T)
El disturbio interno puede ser producido por una fuente de alimentación
mal filtrada.
4.- Reducción de la distorsión no lineal: Esta distorsión es introducida
por los dispositivos empleados. La reducción se logra generalmente
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
36
realimentando una distorsión contraria a la original de tal modo que
tienda a anularla.
5.- Reducción de la distorsión de frecuencia: Comúnmente la
ganancia disminuye al aumentar la frecuencia. Esto quiere decir que las
componentes de mayor frecuencia de la señal de entrada serán
amplificadas en menor medida que las bajas, produciéndose la distorsión
de frecuencia. La realimentación negativa tiende a uniformizar la
ganancia para todas las componentes de frecuencia de la señal de
entrada, reduciendo esta distorsión.
6.- Estabilización de la ganancia (sensitividad): La función
sensitividad representa la fracción o porcentaje de variación producida
en Af por la variación fraccional o porcentual de uno de sus parámetros
(x):
Af
XS = [d(Af)/Af]/[d(x)/x]=[x/Af]/ d(Af)/dx]
En el caso siguiente, con realimentación negativa:
Af = [A / (1 – T)] = A / (1 + AB)
Tendremos que:
Af
AS = [d(Af)/Af]/[d(A)/A]= 1/(1 + AB)=1/(1 – T)
Se puede notar que al aumentar la realimentación negativa, aumenta la
magnitud de T y se reduce la sensitividad de Af respecto a las variaciones
de A.
7.- Modificación del ancho de banda (respuesta en frecuencia): A
manera de ejemplo, suponiendo una función de transferencia sencilla de
un solo polo:
A = K / (s + p).
El polo se tiene cuando s = -p; y el ancho de banda (BW) es definido por
el polo: BW = p.
Con realimentación negativa:
Avf = A / (1 - T) = A / (1+ AB) = K / (s + (p + KB))
Vemos que el nuevo polo se ha incrementado en el término: KB; lo
que quiere decir que el ancho de banda ha aumentado.
8.- Estabilización del punto de operación: Si realimentamos
negativamente las variaciones del punto de operación por efecto de la
temperatura, dichas variaciones serán reducidas por la realimentación.
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
37
FORMAS DE REALIMENTACIÓN
A continuación representaremos los bloques del sistema realimentado en
forma de cuadripolos para describir las formas como puede hacerse la
realimentación:
SERIE – PARALELO (ERROR DE TENSIÓN Y MUESTREO DE TENSIÓN):
A continuación mostramos el esquema para este caso: El bloque B recibe
toda la tensión de salida, Vo, y entrega la tensión Vf para generar la
tensión de error, Ve, a la entrada del bloque A. En este caso, la
realimentación hace que el circuito tienda a comportarse como un
amplificador de tensión ideal, es decir, elevará la impedancia de entrada,
reducirá la impedancia de salida y disminuirá la ganancia:
Avf = Av / (1-T); Zif = Zi (1 - T);
Zof = Zo / (1-T)
Donde:
Av = ganancia de tensión sin realimentación.
Zi = impedancia de entrada sin realimentación.
Zo = impedancia de salida sin realimentación.
A
B
- - Vf +
+
Vg
+
Ve
-
RL+
Vo
-
SERIE – SERIE (ERROR DE TENSIÓN Y MUESTREO DE CORRIENTE):
A continuación mostramos el esquema para este caso: El bloque B recibe
toda la corriente de salida, Io, y entrega la tensión Vf para generar la
tensión de error, Ve, a la entrada del bloque A. En este caso, la
realimentación hace que el circuito tienda a comportarse como un
amplificador de transconductancia ideal, es decir, elevará la impedancia
de entrada, elevará la impedancia de salida y disminuirá la
transconductancia:
Gmf = Gm / (1-T); Zif = Zi (1 - T);
Zof = Zo (1-T)
Donde:
Gm = transconductancia sin realimentación.
Zi = impedancia de entrada sin realimentación.
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
38
Zo =
impedancia de salida sin realimentación.
PARALELO – SERIE (ERROR DE CORRIENTE Y MUESTREO DE CORRIENTE):
A continuación mostramos el esquema para este caso: El bloque B recibe
toda la corriente de salida, Io, y entrega la corriente If para generar la
corriente de error, Ie, a la entrada del bloque A. En este caso, la
realimentación hace que el circuito tienda a comportarse como un
amplificador de corriente ideal, es decir, reducirá la impedancia de
entrada, elevará la impedancia de salida y disminuirá la ganancia:
Aif = Ai / (1-T) ; Zif = Zi / (1 - T);
Zof = Zo (1-T)
Donde:
Ai = ganancia de corriente sin realimentación.
Zi = impedancia de entrada sin realimentación.
Zo = impedancia de salida sin realimentación.
PARALELO – PARALELO (ERROR DE CORRIENTE Y MUESTREO DE
TENSIÓN):
A continuación mostramos el esquema para este caso: El bloque B recibe
toda la tensión de salida, Vo, y entrega la corriente If para generar la
corriente de error, Ie, a la entrada del bloque A. En este caso, la
realimentación hace que el circuito tienda a comportarse como un
A
B
+
Ve
-
+
Vg
-- Vf +
RLIo
A
B
If
Ie
Ig
RLIo
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
39
amplificador de transresistencia ideal, es decir, reducirá la impedancia de
entrada, reducirá la impedancia de salida y disminuirá la ganancia:
Rmf = Rm / (1-T); Zif = Zi / (1 - T);
Zof = Zo / (1-T)
Donde:
Rm = transresistencia sin realimentación.
Zi = impedancia de entrada sin realimentación.
Zo = impedancia de salida sin realimentación.
MATERIAL Y EQUIPO:
01 Transistor 2N2222 01 Osciloscopio
01 Resistor de 100Ω, 0.5W 01 Generador de
01 Resistor de 5.6KΩ 0.5W 01 Fuente de alimentación
01 Resistor de 1KΩ 0.5W 03 Puntas de prueba
02 Resistores de 10 KΩ,0.5W 01 Protoboard
03 condensadores de 10Uf/16V
PROCEDIMIENTO:
1.- Ensamble el siguiente circuito:
A
B
If
Ig
Ie
RL+
Vo
-
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
40
R1
10K
RE100
R3
5.6KQ1
2N2222
R210K
C1
10uF
+ 12 V
Ig
RC1K
S1
+
Vo
-
C310uF
C210uF
+
Vg
-
R4
5.6K
+
Vi
-
2.- Mediciones en DC:
Con S1 abierto, mida las tensiones DC en todos los nudos del circuito:
3.- Aplique la señal de entrada Vg con amplitud de 200 mVpp y
frecuencia de 1 KHz
A continuación:
a) Con S1 cerrado mida la transrresistencia y la impedancia de entrada.
b) Con S1 abierto mida la transrresistencia y la impedancia de entrada.
La transrresistencia se define como: Rmf = Vo/Ig
La impedancia de entrada se halla con:Zif = Vg/Ig
¿Cómo hará la medición de Ig?
4.- Para cada uno de los pasos 3 a y 3 b , mida la respuesta en frecuencia
del circuito y la impedancia de entrada:
Recomendación: Haga sólo las mediciones de tensión y deje los cálculos
para el informe..
F
(Hz)
20 100 200 1K 2K 5K 10K 20K 50K 70K 100K 150K
3 a Rm
3 a Zi
3 b Rmf
3 b Zif
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
41
INFORME PREVIO:
1.- Haga los cálculos empleando el simulador CIRCUIT MAKER o similar.
Ajuste la frecuencia del generador a 1 KHz.
2.- Ajuste el voltaje del generador A 200 mVpp.
3.- Determine los voltajes continuos en todos los nudos del circuito.
4.- Determine la corriente total que consume el circuito
5.- Determine la transrresistencia para:
a) S1 abierto;
b) S1 cerrado.
6.- Para cada uno de los casos del paso 5, determine las impedancias de
entrada y de salida mediante el simulador. En cada caso, de qué tipo es
la impedancia de entrada?
7.- Para cada uno de los casos del paso 5, determine la respuesta en
frecuencia. Compárelas entre sí.
8.- Haga una tabla con todos los valores teóricos obtenidos con el
simulador.
INFORME FINAL:
1.- Haga una tabla comparando los valores teóricos con los valores
experimentales.
2.- Indique la forma de realimentación que se han hecho en el paso 3 del
experimento.
3.- ¿Cuál es el método que ha empleado para medir la impedancia de
entrada? Explique el fundamento teórico para ello.
4.- ¿Cómo haría la medición de la impedancia de salida?
5.- Haga el gráfico de la respuesta en frecuencia de la transrresistencia
para cada caso. y explique por qué tiene la forma medida?
6.- Indique sus observaciones y conclusiones del experimento.
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
42
LABORATORIO Nº 4
OSCILADOR DE ROTACION DE FASE
OBJETIVO:
Estudio de las características de funcionamiento del oscilador sinusoidal
por rotación de fase.
FUNDAMENTO TEORICO:
Para el estudio y diseño de osciladores sinusoidales se emplea el Criterio de
Barhausen:
Si se está llevando a cabo una realimentación positiva, puede llegar a
ocurrir la siguiente situación:
Si: 1 – T = 0, entonces: Af = Xo / Xi = ∞
Lo anterior significa que el sistema puede entregar una salida Xo aún
cuando Xi = 0, Cuando el circuito actúa de esta manera, recibe el nombre
de oscilador. En general, A, Af, T y B pueden depender de la frecuencia.
Usando la transformada de Fourier, lo anterior puede expresarse como:
T(jw) = 1 °0
Entonces:
Si: T(jw) ≥ 1 °0 → Oscila
Otra forma de escribir lo anterior es:
T(jw) = Re(T(jw)) + Im(T(jw)) = 1 + j0
Al igualar á 1 la parte real de la ganancia de bucle, obtenemos los
requerimientos que debe cumplir la ganancia del circuito para que se
inicien las oscilaciones.
Al igualar á 0 la parte imaginaria de la ganancia de bucle, obtenemos la
frecuencia a la que oscilará el circuito.
En el siguiente gráfico mostramos un oscilador de rotación de fase típico:
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
43
R1
VCC
RC
Q
C
R2
R R
CE
P
C
RE
C
El transistor será reemplazado por su modelo simplificado con parámetros
híbridos para analizarlo con pequeña señal y determinar los requisitos que
debe cumplir para que se inicien las oscilaciones.
El modelo equivalente es el siguiente:
RB
C
P
C
ib
hie RC RRhf e ib
C
Este modelo se adapta para hallar la ganancia de bucle:
RB
C
+
xo
-
RB
PC
ib
hie RCx´o
RRhf e ib
hie
C
La ganancia de bucle se halla con la siguiente relación:
T = xo/x’o
Efectuando el análisis con la teoría de circuitos obtenemos:
T(s) =[-hfeRB/(RB+hie]/[3+R/RC+4/RCs+6/RCCs +
5/RRCC2s2 + 1/R2RCC3s3 ]
Aplicando el criterio de Barkhausen en el estado estacionario obtenemos:
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
44
wo = (1/RC)/(6 + 4RC/R)0.5
R/RC ≥ (h’f – 23)/58 + [((h’f – 23)/58)2 – 4/29]0.5
Donde:
h’f = hfe RB/(RB + hie) > 44.6
y RB = R1//R2
Las anteriores relaciones nos permiten hallar la frecuencia de oscilación y
el requisito de ganancia para que se inicien las oscilaciones. Estos
resultados son aproximados debido a que sólo se está considerando el
modelo simplificado del transistor.
MATERIAL Y EQUIPO:
01 Transistor 2N2222 01 Osciloscopio
01 Resistor de 100Ω, 0.5W 01 Generador de
01 Resistor de 5.6KΩ 0.5W 01 Fuente de alimentación
01 Resistor de 1KΩ 0.5W 03 Puntas de prueba
02 Resistores de 10 KΩ,0.5W 01 Protoboard
01 Resistor de 15 KΩ, 0.5W
01 Resistor de 91 KΩ, 0.5W
01 Potenciometro 10k
03 condensadores de 100nf/50V
01 Condensador electrolítico de 100uF, 16V
PROCEDIMIENTO:
1.- Ensamble el siguiente circuito
C4100nF
C2100nF
C1100nF
R710k 55%
+
C3100uF
Q12N2222
+
-
Vcc112V
R410k
R310k
R191k
R215k
R5
5.6K
R6
1k
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
45
2.- Mediciones en DC:
Desconecte el potenciómetro para que el circuito no oscile y mida las
tensiones DC en la base, colector y emisor del transistor respecto a la
referencia.
VB =................. VC = .................
VE = .....................
3.- Conecte el potenciómetro y ajuste su valor hasta que se inicien las
oscilaciones con la menor distorsión posible.
Anote los valores pico en la base y en el colector:
VB = ............... ; VC = ...............
Dibuje las formas de onda en los puntos B y E
Mida la frecuencia de oscilación. ___________________
4.- Con la señal presente, mida nuevamente las tensiones DC en la base,
colector y emisor del transistor respecto a la referencia.
VB =................. VC = ................
VE = ......................
INFORME PREVIO:
1.- Haga los cálculos empleando el simulador CIRCUIT MAKER o similar.
2.- Determine los voltajes continuos en todos los nudos del circuito.
3.- Determine la corriente total que consume el circuito y la potencia que
disipa cada componente.
3.- Determine la tensión de señal de salida y su frecuencia.
4.- ¿Cómo varía la amplitud y la frecuencia de oscilación cuando el
potenciómetro es variado entre el 1% y el 99% de su valor?
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
46
5.- Haga una tabla con todos los valores teóricos obtenidos con el
simulador.
INFORME FINAL:
1.- Haga una tabla comparando los valores teóricos con los valores
experimentales.
2.- ¿Qué diferencias observa entre las mediciones DC con sin señal y con
señal? ¿Cómo explica esas diferencias?
3.- ¿Cómo explica que la tensión de señal tenga el nivel medido?
4.- ¿Qué mecanismos hay para controlar la amplitud de la oscilación?
5.- ¿Por qué las mediciones tienden a cambiar cuando se cambia el
transistor?
6.- ¿Qué conclusiones saca de las mediciones efectuadas?
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
47
LABORAOTRIO Nº 5
OSCILADOR COLPITTS
OBJETIVO:
Estudio de las características de funcionamiento del oscilador sinusoidal
tipo Colpitts.
FUNDAMENTO TEORICO:
Para el estudio y diseño de osciladores sinusoidales se emplea el Criterio de
Barhausen:
Si se está llevando a cabo una realimentación positiva, puede llegar a
ocurrir la siguiente situación:
Si: 1 – T = 0, entonces: Af = Xo / Xi = ∞
Lo anterior significa que el sistema puede entregar una salida Xo aún
cuando Xi = 0
Cuando el circuito actúa de esta manera, recibe el nombre de oscilador.
En general, A, Af, T y B pueden depender de la frecuencia. Usando la
transformada de Fourier, lo anterior puede expresarse como:
T(jw) = 1 °0
Entonces:
Si: T(jw) ≥ 1 °0 → Oscila
Otra forma de escribir lo anterior es:
T(jw) = Re(T(jw)) + Im(T(jw)) = 1 + j0
Al igualar á 1 la parte real de la ganancia de bucle, obtenemos los
requerimientos que debe cumplir la ganancia del circuito para que se
inicien las oscilaciones.
Al igualar á 0 la parte imaginaria de la ganancia de bucle, obtenemos la
frecuencia a la que oscilará el circuito.
Este es otro de los osciladores sinusoidales más conocidos. Se le emplea en
alta frecuencia. Su señal de salida tiene menor distorsión y es más estable
que la del de rotación de fase. Se le puede mejorar más cuando se le
emplea con cristal piezoeléctrico (en este caso recibe el nombre de
oscilador Pierce)
En la figura siguiente se muestran variantes de este circuito.
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
48
Podemos observar que los elementos que determinan la frecuencia de
oscilación son dos condensadores y una bobina, los que forman el circuito
tanque, que es el encargado de dar la selectividad necesaria.
Debido a que las oscilaciones se inician en pequeña señal, podemos
utilizar los modelos lineales del transistor para obtener la ganancia de
bucle y hallar las ecuaciones que nos darán la frecuencia de oscilación y
los requerimientos de ganancia para que se inicien las oscilaciones. Las
características no lineales del transistor determinarán la amplitud de salida.
-VCC
RF CH
Q
Salida
RE
Q
RE
L
C1C2
Q
C) Configuración en emisor
común con choke de RF
y alimentación simple
+VCC
R2
+VCC
C1
RL
C3RE
Salida
R1RC
C2
R2
Salida
A) Configuración en base
común con alimentación
simétrica
B) Configuración en
emisor común con
alimentación simple
C3
R1L
+VCC
C4
L
C4
C1
C2
Analizaremos el circuito de la figura B utilizando el modelo simplificado de
parámetros pi-híbridos del transistor. Un criterio similar se puede emplear
para el circuito de la figura A, teniendo en cuenta que está en la
configuración de base común.
El modelo equivalente para señal, para hallar la ganancia de bucle, es el
siguiente:
QV´be
Rb
gm V´be
R
+
Vbe
-
Rb rx C2
R = Rb // rx
RCC3
CC2
LL
RC
C = C3 + Cx
Aquí también es conveniente abrir el lazo por la zona de base para
obtener un modelo más sencillo.
A partir del modelo equivalente podemos determinar la ganancia de
bucle:
T(s) = Vbe / Vbe’
T(s) = (-gmRCR)/[RRCCC2Ls3 +L(RC + RCC2)s2 + (L +
RRCC2 + RRCC)s + R + RC]
En el estado estacionario:
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
49
T(jw) = (-gmRCR)/[R+RC-L(RC + RCC2)w2 + j w (L +
RRCC2 + RRCC - RRCCC2Lw2)
Aplicando el criterio de Barkhausen:
L + RRCC2 + RRCC - RRCCC2Lw2= 0
(- gmRCR)/[R+RC-L(RC + RCC2)w2) > 1
Y obtenemos la expresión para la frecuencia de oscilación:
wo = [(L + RRCC2 + RRCC)/( RRCCC2L)] 1/2
y el requisito de ganancia:
(gmRC//R) > [L(RC + RCC2)/ (R+RC)]wo2- 1
MATERIAL Y EQUIPO:
01 Transistor 2N2222 01 Osciloscopio
01 Resistor de 5.6kΩ, 0.5W 01 Generador de
01 Resistor de 1KΩ 0.5W 01 Fuente de alimentación
01 Resistor de 15 KΩ, 0.5W 03 Puntas de prueba
01 Resistor de 91 KΩ, 0.5W 01 Protoboard
02 condensadores de 10nf/50V
01 Bobina variable 0.5 a 0.8 uH
02 Condensador electrolítico de 10uF, 16V
PROCEDIMIENTO:
1.- Ensamble el siguiente circuito:
L1 0.7uH
+
C4 10uF
+ C1
10uF
Q1 NPN
C3
10nF
+
-
Vs1 12V
C2
10nF
R3 15k
R1 91k
R4 1k
R2 5.6k
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
50
2.- Haga las mediciones en continua con el multímetro: Desconecte el
condensador C4 para que el circuito no oscile y mida las tensiones DC en
la base, colector y emisor del transistor respecto a la referencia.
VB =_________; VC = _________; VE = ___________
3.- Reconecte el condensador y verifique que se inician las oscilaciones.
Mida las señales con el osciloscopio.
Anote los valores pico en la base y en el colector:
VB = __________; VC = ___________
Dibuje las formas de onda en los puntos B y E. Con el osciloscopio, mida la
frecuencia de oscilación.
4.- Con la señal presente, mida nuevamente las tensiones DC en la base,
colector y emisor del transistor respecto a la referencia.
VB =__________; VC = _________; VE = ___________
5.- Ajuste la bobina a sus valores máximo y mínimo y mida en cada caso la
amplitud y frecuencia de salida.
INFORME PREVIO:
1.- Haga los cálculos empleando el simulador CIRCUIT MAKER o similar.
2.- Determine los voltajes continuos en todos los nudos del circuito.
3.- Determine también la corriente total que consume el circuito y la
potencia que disipa cada componente.
4.- Determine la frecuencia de oscilación y la amplitud de salida.
5.- ¿Cómo varían la amplitud y la frecuencia si se duplica el valor de la
inductancia?
6.- Haga una tabla con todos los valores teóricos obtenidos con el
simulador.
INFORME FINAL:
1.- Haga una tabla comparando los valores teóricos con los valores
experimentales.
2.- ¿Qué diferencias observa entre las mediciones DC sin señal y con
señal? ¿Cómo explica esas diferencias?
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
51
3.- ¿Qué mecanismos hay para controlar la amplitud de la oscilación?
4.- ¿Por qué las mediciones tienden a cambiar cuando se cambia la
inductancia?
5.- ¿Qué conclusiones saca de las mediciones efectuadas?
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
52
LABORATORIO Nº 6
OSCILADOR HARTLEY
OBJETIVO:
Estudio de las características de funcionamiento del oscilador sinusoidal
tipo Hartley.
FUNDAMENTO TEORICO:
Para el estudio y diseño de osciladores sinusoidales se emplea el Criterio de
Barhausen:
Si se está llevando a cabo una realimentación positiva, puede llegar a
ocurrir la siguiente situación:
Si: 1 – T = 0, entonces: Af = Xo / Xi = ∞
Lo anterior significa que el sistema puede entregar una salida Xo aún
cuando Xi = 0
Cuando el circuito actúa de esta manera, recibe el nombre de oscilador.
En general, A, Af, T y B pueden depender de la frecuencia. Usando la
transformada de Fourier, lo anterior puede expresarse como:
T(jw) = 1 °0
Entonces:
Si: T(jw) ≥ 1 °0 → Oscila
Otra forma de escribir lo anterior es:
T(jw) = Re(T(jw)) + Im(T(jw)) = 1 + j0
Al igualar á 1 la parte real de la ganancia de bucle, obtenemos los
requerimientos que debe cumplir la ganancia del circuito para que se
inicien las oscilaciones.
Al igualar á 0 la parte imaginaria de la ganancia de bucle, obtenemos la
frecuencia a la que oscilará el circuito.
OSCILADOR HARTLEY: El oscilador Hartley es otro de los osciladores
sinusoidales de alta frecuencia más conocidos. A continuación se
muestran algunas versiones de este circuito:
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
53
L
Q
R2
Cb
L
Q
VCC
C
L
CHR1
C
L
Cb
VCC
Cb
Rb
MATERIAL Y EQUIPO:
01 Transistor 2N2222 01 Osciloscopio
01 Resistor de 220kΩ, 0.5W 01 Fuente de alimentación
02 Bobina variable 0.7uH 02 Puntas de prueba
01 condensadores de 1uF/16V 01 Protoboard
01 Condensador electrolítico de 100nF, 50V
PROCEDIMIENTO:
1.- Ensamble el siguiente circuito:
L20.7uH
L10.7uH
Q12N2222+
-
Vcc12V
C1100nF
C21uF
R1220k
2.- Haga las mediciones en continua con el multímetro: Desconecte el
condensador C2 para que el circuito no oscile y mida las tensiones DC en
la base, colector y emisor del transistor respecto a la referencia.
VB =____________; VC = __________; VE = ____________
3.- Reconecte el condensador C2 y verifique que se inician las
oscilaciones.
Mida las señales con el osciloscopio.
Anote los valores pico en la base y en el emisor:
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
54
VB = ____________; VE = _______________
Dibuje las formas de onda en los puntos B y E. Con el osciloscopio, mida la
frecuencia de oscilación.
4.- Con la señal presente, mida nuevamente las tensiones DC en la base,
colector y emisor del transistor respecto a la referencia.
VB =___________; VC = _________; VE = ___________
5.- Ajuste la bobina L2 a sus valores máximo y mínimo y mida en cada caso
la amplitud y frecuencia de salida.
INFORME PREVIO:
1.- Haga los cálculos empleando el simulador CIRCUIT MAKER o similar.
2.- Determine los voltajes continuos en todos los nudos del circuito.
Determine también la corriente total que consume el circuito y la
potencia que disipa cada componente.
3.- Determine la frecuencia oscilación y la amplitud de salida.
4.- ¿Cómo varían la amplitud y la frecuencia si se duplica el valor de la
inductancia L2?
5.- Haga una tabla con todos los valores teóricos obtenidos con el
simulador.
INFORME FINAL:
1.- Haga una tabla comparando los valores teóricos con los valores
experimentales.
2.- ¿Qué diferencias observa entre las mediciones DC sin señal y con
señal? ¿Cómo explica esas diferencias?
3.- ¿Cómo explica que la tensión de señal tenga el valor medido y no una
mayor o menor?
4.- ¿Por qué las mediciones tienden a cambiar cuando se cambia la
inductancia?
5.- ¿Qué conclusiones saca de las mediciones efectuadas?
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
55
LABORATORIO Nº 7
AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
OBJETIVO:
Estudio de las características de funcionamiento del amplificador
diferencial.
FUNDAMENTO TEORICO:
El amplificador diferencial es uno de los circuitos analógicos más
importantes y se caracteriza porque su salida es proporcional a la
diferencia de las señales de entrada, es decir:
Vs = Ad (V1 – V2)
Ad es la ganancia en modo diferencial
V1 y V2 son las señales de entrada.
La ecuación anterior corresponde a la respuesta ideal del A.D., sin
embargo, los A.D. reales presentan una salida dada por la ecuación
siguiente:
Vs = Ad (V1 – V2) + Ac (V1 + V2) / 2
Ac es la ganancia en modo común y generalmente se busca que sea lo
más pequeña posible. Idealmente debería ser cero.
Se define:
Modo diferenial = Vd = V1 – V2
Modo común = Vc = (V1 + V2) / 2
Debe indicarse que el modo común no está formado solamente por el
promedio de las señales de entrada, sino también por cualquier señal no
deseada (ruido, interferencia, etc.) acoplada a ambas entradas a la vez.
Si ello sucede, el amplificador tenderá a elminarlas de su salida.
Por lo anterior, podemos decir que este tipo de amplificador tiende a
eliminar las señales no deseadas que se presenten en sus entradas.
Para efectuar el análisis del circuito se expresan las señales de entrada
mediante el modo común y el modo diferencial.
V1 = Vc + Vd / 2
V2 = Vc - Vd / 2
Cuando se analiza con pequeña señal podemos utilizar los modelos de
cuadripolo lineal del transistor.
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
56
Cuando se analiza con gran señal, debemos utilizar la característica no
lineal del transistor (por ejemplo, las ecuaciones de Ebers Moll).
FACTOR DE RECHAZO AL MODO COMUN (CMRR):
Este es un parámetro muy útil para saber la calidad del A.D. Se le define
como:
CMRR = |Ad| / |Ac|
También se acostumbra expresarlo en decibeles:
CMRRdb = 20 log(|Ad| / |Ac|)
Idealmente el CMRR debe ser infinito.
En un A.D. real conviene que sea lo más alto Posible.
La fuente de corriente constante tiene mucha importancia para
conseguir una ganancia en modo común muy pequeña y, por tanto, un
alto factor de rechazo al modo común.
En el circuito de la experiencia, el transistor Q3 es usado como fuente de
corriente constante.
C2
100uF
R8220K
C3
100uF
RC1K
R4220
R510K
RC1K
R91K
R11K
+ 12 V
R64.7K
Q12N2222
R31K
Q32N2222
Q22N2222
C1
100uF
R7220K
R2100
Vg
ANALISIS CON PEQUEÑA SEÑAL:
Obtendremos las expresiones de las ganancias e impedancias en modo
diferencial y en modo común para pequeña señal. Utilizaremos el modelo
de parámetros híbridos simplificado. El circuito equivalente es el mostrado
en la siguiente figura
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
57
La fuente de corriente continua se hace cero para señal lo que queda es
su impedancia para AC. En dicho esquema Z es la impedancia en AC que
ofrece la fuente de corriente.
Rc
Rb
ib2
-
Vd/2
+Rb
hie
Vs1 Vs2
hie
hf e ib1
+
Vd/2
- Z(1+hf e)
Ve
+
Vc
-
+
Vc
-
ib1
hf e ib2
Rc
Para simplificar el circuito hemos utilizado las técnicas de transformación
de fuentes del análisis de la teoría de circuitos.
Adicionalmente, se han representado las señales de entrada (V1 y V2)
mediante el modo común (Vc) y el modo diferencial (Vd).
Como el modelo es lineal, podemos aplicar superposición y hallaremos la
ganancia en modo diferencial haciendo cero la señal en modo común
(Vc = 0); luego hallaremos la ganancia en modo común haciendo cero la
señal en modo diferencial (Vd = 0)
Ganancia en modo diferencial: Aplicando superposición, se hace cero el
modo común (Vc = 0) y, debido a la simetría, la tensión Ve es cero y este
nudo se comporta como tierra virtual (porque su voltaje es cero sin estar
conectado a tierra)
Para el modo diferencial: ib1 = Vd/(2hie)
Ib2 = -Vd/(2hie)
1) A continuación:
Vs1 = - hfe Rc ib1 = - [(hfe Rc) / (2hie)] Vd
Luego: Ad1 = - hfe Rc / 2hie
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
58
Ad1 es la ganancia en modo diferencial cuando tomamos la salida
desbalanceada en el colector de Q1
2) Si tomamos la salida desbalanceada en el colector de Q2:
Vs2 = - hfe Rc ib2 = + [(hfe Rc) / (2hie)] Vd
Luego: Ad2 = + hfe Rc / 2hie
Aquí vemos que la salida está en fase con el modo diferencial y Ad2 es la
ganancia en modo diferencial cuando tomamos la salida desbalanceada
en el colector de Q2.
3) Si tomamos la salida balanceada entre los colectores de Q1 y Q2:
Vs1– Vs2=-hfe Rc ib1+hfeRc ib2=-[(2hfe Rc/(2hie)]Vd
Luego: Ad12 = - hfe Rc / hie
Aquí vemos que la salida es el doble que en los casos anteriores y Ad12 es
la ganancia en modo diferencial cuando tomamos la salida balanceada
entre los colectores de Q1 y Q2.
Impedancia de entrada en modo diferencial:
En el circuito de entrada vemos que para el modo diferencial:
Zid = 2 (Rb//hie)
Ganancia en modo comun: Aplicando superposición, se hace cero el
modo diferencial (Vd = 0) y vemos que en este caso la tensión Ve no es
cero (para el modo común no es tierra virtual).
Para el modo común: ib1 = Vc/(hie + 2(1+hfe)Z)
Ib2 = Vc/(hie + 2(1+hfe)Z)
1) A continuación:
Vs1 = - hfe Rc ib1 = -[(hfeRc)/(hie+2(1+hfe)Z) Vc
Luego: Ac1 = - hfe Rc / (hie + 2(1+hfe)Z)
Ac1 es la ganancia en modo común cuando tomamos la salida
desbalanceada en el colector de Q1. Vemos que depende inversamente
de la impedancia en AC de la fuente de corriente. Si esta impedancia es
muy elevada, podemos minimizar la ganancia en modo común.
2) Si tomamos la salida desbalanceada en el colector de Q2:
Vs2 = - hfe Rc ib2 = -[(hfe Rc)/(hie + 2(1+hfe)Z)Vc
Luego: Ac2 = - hfe Rc / (hie + 2(1+hfe)Z)
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
59
Aquí vemos que la salida es igual en amplitud y signo que en el colector
de Q1 e, igualmente, si la impedancia es muy elevada, podemos
minimizar la ganancia en modo común.
3) Si tomamos la salida balanceada entre los colectores de Q1 y Q2:
Vs1 – Vs2 = - hfe Rc ib1 + hfe Rc ib2 = 0
Luego: Ac12 = 0
Esto significa que tomando la salida en forma balanceada podemos
disminuir más la ganancia en modo común (idealmente se hace cero).
Impedancia de entrada en modo comun:
En el circuito de entrada vemos que para el modo común:
Zic = ½ (Rb// (hie + (1 + hfe) Z)
Vemos que si deseamos tener una alta impedancia de entrada en modo
común Rb debe ser elevado o no debemos colocar esta resistencia.
MATERIAL Y EQUIPO:
03 Transistor 2N2222 01 Osciloscopio
01 Resistor de 220Ω, 0.5W 01 Fuente de alimentación
01 Resistor de 100Ω, 0.5w 01 Generador de Funciones
05 Resistor de 1kΩ, 0.5W 03 Puntas de prueba
01 Resistor de 4.7kΩ, 0.5kW 01 Protoboard
01 Resistor de 10kΩ, 0.5W
02 Resistor de 220kΩ,0.5W
03 Condensador electrolítico de 100uF, 16V
PROCEDIMIENTO:
1.- Ensamble el siguiente circuito:
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
60
C2
100uF
R8220K
C3
100uF
RC1K
R4220
R510K
RC1K
R91K
R11K
+ 12 V
R64.7K
Q12N2222
R31K
Q32N2222
Q22N2222
C1
100uF
R7220K
R2100
Vg
2.- Mediciones en DC usando el multímetro:
Haga: Vg = 0
Mida la tensión en cada nudo del circuito.
3.- Conecte el osciloscopio a la salida y aplique Vg = 200 mVp-p.
Anote los valores pico en la entrada y de las tres formas de salida:
Vi = ___________; Vs(colector1)= _____________
Vs(colector2)= _____________; Vs(colectores 1y2)=_________
4.- Con el nivel de Vi del paso 3 mida la respuesta en frecuencia del
circuito:
F
(Hz)
100 500 1K 2K 5K 10K 20K 30K 50K 70K 100K
Vsalida
(Vpico)
5.- Mida la relación de fases entre las salidas desbalanceadas en el
colector 1 y en el colector 2
INFORME PREVIO:
1.- Haga los cálculos empleando el simulador CIRCUIT MAKER o similar.
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
61
Ajuste la frecuencia del generador a 1 KHz.
2.- Determine los voltajes continuos en todos los nudos del circuito..
3.- Determine los puntos de operación de los transistores.
4.- Determine la ganancia de tensión del circuito
5.- Determine la respuesta en frecuencia del circuito.
6.- Haga una tabla con todos los valores teóricos obtenidos con el
simulador.
INFORME FINAL:
1.- Haga una tabla comparando los valores teóricos con los valores
experimentales.
2.- ¿Por qué las salidas desbalanceadas están desfasadas?
3.- ¿Por qué es posible evitar que los transistores se saturen? ¿Qué ventaja
tiene ello?
4.- Haga el gráfico de la respuesta en frecuencia y determine hasta dónde
llega el rango de frecuencias bajas y dónde empieza el rango de
frecuencias altas?
5.- Haga una lista de sus observaciones y conclusiones
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
62
LABORATORIO Nº 8
OSCILADOR PUENTE DE WIEN
OBJETIVO:
Estudio de las características de funcionamiento del oscilador sinusoidal
puente de wien con opamp.
FUNDAMENTO TEORICO:
Este tipo de oscilador emplea una red tipo puente, de tal forma que su
función de transferencia produce un par de polos complejos con un alto
factor de calidad, Q, lo cual permite una buena estabilidad de la
frecuencia. Este tipo de circuito se usa cuando se quiere variar la
frecuencia en un rango amplio conservando una onda con baja distorsión
y buena estabilidad, sin emplear bobinas. Comúnmente tiene una
capacidad de variación de su frecuencia, de 10 á 1 y puede trabajar en
rangos de frecuencias comprendidos aproximadamente entre 2Hz y
10MHz.
Estos osciladores contienen tres elementos principales:
Un circuito tipo puente
Un amplificador lineal
Un circuito o elemento que balancee el puente
Los beneficios de este tipo de circuito son obtenidos sólo si se le mantiene
tan cercano como sea posible al balance.
A continuación se muestra un esquema básico
R4
R3R1
R2C2
C1
-
+
La frecuencia de oscilación de obtiene con:
ωo = 1/(R1R2C1C2)1/2
Para su construcción se pueden emplear FET, amplificador operacional,
etc. En baja frecuencia es preferible usar amplificadores diferenciales con
FET de manera que tenga alta ganancia con alta impedancia de entrada
para que no cargue al puente.
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
63
Analizaremos el circuito de la experiencia:
C20.1uF
- 12V
+ 12V
R2
22K
R1
22K+
Vo
-
P1
100K
C10.1uF
-
+
UALM741
3
26
47
R322K
Obtendremos la ganancia de bucle abriendo el lazo por la salida ya que
ella se comporta como una fuente de tensión y la impedancia de salida
es pequeña. Emplearemos el siguiente modelo:
R3 V+
R2+
V´o
-
C2
+
Vo
-
C1
P1
R1-
+
Empleando la ecuación de ganancia del amplificador no inversor
obtenemos:
Vo = (1+P1/R1)V+
Ahora determinamos V+ en función de Vó:
V+ = Vó (R2C2 s)/[R2R3C1C2 s2 + (R2C1 + R2C2 + R3C2) s + 1]
Finalmente obtenemos la ganancia de bucle:
T = Vo/Vó = (1+P1/R1)(R2C2 s)/[R2R3C1C2 s2 + (R2C1 +
R2C2 + R3C2) s + 1]
En el estado estacionario, aplicamos el criterio de Barkhausen:
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
64
T = Vo/Vó =(1+P1/R1)(R2C2 )/[R2R3C1C2 jω +(R2C1 + R2C2 +
R3C2) + 1/jω]
Según el criterio, la parte imaginaria debe ser cero:
R2R3C1C2 jω + 1/jω =0
De aquí obtenemos la frecuencia de oscilación:
ωo = 1/[ R2R3C1C2]1/2
Y la parte real debe ser igual o mayor que 1:
(1+P1/R1)(R2C2 )/[R2C1 + R2C2 + R3C2] ≥ 1
En nuestro experimento se cumple:R2 = R3 y C1 = C2
Luego: (1+P1/R1)/3 ≥ 1
De donde se obtiene: P1/R1 ≥ 2 Para que se inicien las oscilaciones
MATERIAL Y EQUIPO:
01 OPAMP LM741 01 Osciloscopio
03 Resistor de 22kΩ, 0.5W 01 Fuente de alimentación
01 Potenciómetro de 100kΩ,0.5W 02 Puntas de prueba
02 condensadores cerámico
0.1uF/50V
01 Protoboard
PROCEDIMIENTO:
1.- Ensamble el siguiente circuito:
- 12 V
C20.1uF
C1
0.1uF
R1
22K
+
Vo
-
P1
100K
R222K
+ 12 V
R322K
-
+
LM741
3
26
47
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
65
PONGA ESPECIAL CUIDADO AL CONECTAR LAS FUENTES DE ALIMENTACIÓN:
Pin 7 : + 12 Vdc Pin 4 : - 12 Vdc
2.- Encienda el circuito y mida, con el osciloscopio, la forma de onda y el
nivel DC presente en la salida
Amplitud del pico positivo: .........................................
Amplitud del pico negativo: ........................................
Período de la onda: .........................................
Frecuencia: ..........................................
NOTA Si las oscilaciones no se inician, aumente el potenciómetro para que
comiencen con la menor distorsión posible.
3- Mida, con el osciloscopio, los niveles de señal de entrada en los pines 2 y
3.
4.- Apague el circuito y mida el valor ajustado en el potenciómetro.
Igualmente, mida los valores de los demás componentes para verificar sus
cálculos teóricos.
INFORME PREVIO:
1.- Haga los cálculos empleando el simulador CIRCUIT MAKER o similar.
2.- Determine los voltajes continuos en todos los nudos del circuito.
3.- Determine la corriente total que consume el circuito y la potencia que
disipa cada componente.
3.- Determine la tensión de señal de salida y su frecuencia.
4.- ¿Cómo varía la amplitud y la frecuencia de oscilación cuando el
potenciómetro es variado entre el 1% y el 99% de su valor?
5.- Haga una tabla con todos los valores teóricos obtenidos con el
simulador.
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
66
INFORME FINAL:
1.- Haga una tabla comparando los valores teóricos con los
experimentales y explique las razones de las diferencias que hubieren.
2.- Busque un método para determinar teóricamente la amplitud de las
oscilaciones.
3.- ¿Cómo construiría un oscilador de este tipo empleando sólo un
transistor?
4.- ¿Qué conclusiones saca de las mediciones efectuadas?
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
67
LABORATORIO Nº 9
FILTRO ACTIVO PASA BAJO
OBJETIVO:
Estudio del amplificador operacional como filtro activo pasa bajo y
medición de su respuesta en frecuencia.
FUNDAMENTO TEORICO:
Los filtros activos se caracterizan por tener la posibilidad de tener una
ganancia mayor que la unidad, además de seleccionar el rango de
frecuencias.
El amplificador operacional permite explotar más fácilmente estas
características, además de conseguirse un tamaño reducido del filtro. Con
él, un método de diseño consiste en emplear simultáneamente
realimentación negativa y positiva, manteniendo un comportamiento
lineal, como es el caso del circuito de la experiencia.
Para su estudio y diseño debemos obtener su función de transferencia y lo
haremos para el circuito de la experiencia:
R3K3
C
0.1uF
+ Vcc
- Vcc
C
0.1uF
+
Vo
-
Vi
V+
R3K3
V
R110K
-
+
LM741
3
26
47
R210K
La tensión de salida la podemos hallar en función de V+ empleando la
ecuación de ganancia del amplificador no inversor:
Vo = (1 + R2/R1)V+ = A V+
A = (1 + R2/R1)
A continuación hallamos V en función de Vi y Vo
En el nudo V+:
(V+ - Vi)/R + s C(V+ - V) = 0
De aquí: V = [(1 + RC s)/(ARC s)]Vo - Vi/(RC s)
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
68
En el nudo V:
(V - V+)C s + V C s + (V – Vo)/R = 0
De aquí: V(2RC s + 1) = (RC s)V+ + Vo
Reemplazando V y despejando la función de transferencia:
2 2 2
A(1+2RCS)H(S)=
R C S +(3-A)RCS+1
El denominador de la función de transferencia corresponde a la ecuación
diferencial en el dominio del tiempo y podemos identificar la frecuencia
natural y el factor de atenuación:
frecuencia natural: ωo = 1/RC
factor de atenuación : α = (3 – A)/2RC
Factor de calidad: Q = ωo/2α = 1/(3 - A)
Relación de amortiguación:ζ = α/ωo = (3 - A)/2
Si queremos una respuesta sub amortiguada con poco sobreimpulso,
podemos elegir una relación de amortiguación cercana a 0.7,
requeriremos de una ganancia A = 1.6
MATERIAL Y EQUIPO:
01 OPAMP LM741 01 Osciloscopio
02 Resistor de 5.6kΩ, 0.5W 01 Generador de función
02 Resistores de 10kΩ,0.5W 01 Fuente de alimentación
02 condensadores cerámico
0.1uF/50V
03 Puntas de prueba
01 Protoboard
PROCEDIMIENTO:
1.- Ensamble el siguiente circuito:
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
69
- 12 V
C10.1uF
+
Vi
-C2
0.1uF
+
Vo
-
R1
10K
R210K
R35.6K
+ 12 V
R35.6K
-
+
LM741
3
26
47
Ponga especial cuidado al momento de conectar las tensiones de
alimentación:
Pin 7 : + 12 Vdc Pin 4 : - 12 Vdc
2.- Ajuste el voltaje del generador a Vi = 1 voltio pico, con frecuencia de 1
KHz, onda sinusoidal.
3.- Varíe la frecuencia del generador y mida el voltaje de salida en cada
caso y anote los resultados en la tabla tabla siguiente. También determine
la ganancia de tensión para cada caso:
F
(Hz)
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 1K 2K 5K 10K
Vo
Av
4.- Mida la frecuencia correspondiente al punto de media potencia.
¿Cuál es el ancho de banda del filtro?
5.- Apague el circuito y mida con el multímetro el valor real de los
componentes para verificar sus cálculos teóricos.
INFORME PREVIO:
1.- Haga los cálculos empleando el simulador CIRCUIT MAKER o similar.
2.- Determine los voltajes continuos en todos los nudos del circuito.
Determine también la corriente total que consume el circuito y la
potencia que disipa cada componente.
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
70
3.- Determine la respuesta en frecuencia y la frecuencia de corte en el
punto de media potencia.
4.- ¿Cómo varía la amplitud y la frecuencia de corte si se duplica la
ganancia del amplificador?
5.- Haga una tabla con todos los valores teóricos obtenidos con el
simulador.
INFORME FINAL:
1.- Haga una tabla comparando los valores teóricos con los
experimentales y explique las razones de las diferencias que hubieren.
2.- Halle los diagramas de Bode empleando MATLAB.
3.- ¿Qué conclusiones saca de las mediciones efectuadas?
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
71
LABORATORIO Nº 10
FILTRO ACTIVO PASA BANDA
OBJETIVO:
Estudio del amplificador operacional como filtro activo pasa banda y
medición de su respuesta en frecuencia.
FUNDAMENTO TEORICO:
Los filtros activos se caracterizan por tener la posibilidad de tener una
ganancia mayor que la unidad, además de seleccionar el rango de
frecuencias.
El amplificador operacional permite explotar más fácilmente estas
características, además de conseguirse un tamaño reducido del filtro. Con
él, un método de diseño consiste en emplear simultáneamente
realimentación negativa y positiva, manteniendo un comportamiento
lineal, como es el caso del circuito de la experiencia.
Para su estudio y diseño debemos obtener su función de transferencia y lo
haremos para el circuito de la experiencia:
V
R3K3
C
0.1uF
+ Vcc
- Vcc
+
Vo
-
Vi
V+
R3K3
R110K
C
0.1uF
-
+
LM741
3
26
47
R210K
La tensión de salida la podemos hallar en función de V+ empleando la
ecuación de ganancia del amplificador no inversor:
Vo = (1 + R2/R1)V+ = AV+
A = 1 + R2/R1
A continuación hallamos V en función de Vi y Vo
En el nudo V+:
(V+ - Vi)/R + s C(V+ - V) = 0
De aquí: V = (1/A)[(1 + RC s)/(RC s)]Vo - Vi/(RC s)
En el nudo V:
(V -V+)C s + (V - Vi)C s + (V – Vo)/R = 0
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
72
De aquí:V(2 RC s + 1) = Vo[(RC s)/A + 1] + Vi(RC s)
Reemplazando V y despejando la función de transferencia:
Vo A[R2C2 s2 + 2RC s + 1]
H(s) = --- = -------------------------
Vi R2C2 s2 + (3 – A)RC s + 1
El denominador de la función de transferencia define la ecuación
diferencial en el dominio del tiempo y podemos identificar los siguientes
parámetros:
frecuencia natural: ωo = 1/RC
factor de atenuación : α = (3 – A)/2RC
Factor de calidad: Q = ωo/2α = 1/(3 - A)
Relación de amortiguación:ζ = α/ωo = (3 - A)/2
La frecuencia natural define la frecuencia central de sintonía del filtro
Podemos hacer más selectivo al filtro aumentando su factor de calidad.
Ello lo logramos cuando ajustamos la ganancia del amplificador a un valor
cercano a 3. El ancho de banda (en radianes/segundo) a 3 db se puede
hallar con la relación:
BW = 2α = (3 – A)/RC
MATERIAL Y EQUIPO:
01 OPAMP LM741 01 Osciloscopio
02 Resistor de 10kΩ, 0.5W 01 Generador defunciones
02 Resistores de 3.3kΩ,0.5W 01 Fuente de alimentación
02 condensadores cerámico
0.1uF/50V
03 Puntas de prueba
01 Protoboard
PROCEDIMIENTO:
1.- Ensamble el siguiente circuito:
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
73
- 12 VC
0.1uF+
Vi
-
+
Vo
-
V+
R1
10K
C0.1uF
R210K
R3.3K
+ 12 V
R3.3K
-
+
LM741
3
26
47
Ponga especial cuidado al momento de conectar las tensiones de
alimentación:
Pin 7 : + 12 Vdc Pin 4 : - 12 Vdc
2.- Ajuste el voltaje del generador a Vi = 1 voltio pico, con frecuencia de 1
KHz, onda sinusoidal.
3.- Varíe la frecuencia del generador y mida el voltaje de salida en cada
caso y anote los resultados en la tabla tabla siguiente. También determine
la ganancia de tensión para cada caso:
F
(Hz)
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 1K 2K 5K 10K
Vo
Av
4.- Mida la frecuencia correspondiente a los puntos de media potencia.
¿Cuál es el ancho de banda del filtro?
5.- Apague el circuito y mida con el multímetro el valor real de los
componentes para usarlos en sus cálculos teóricos.
INFORME PREVIO:
1.- Haga los cálculos empleando el simulador CIRCUIT MAKER o similar.
2.- Determine los voltajes continuos en todos los nudos del circuito.
Determine también la corriente total que consume el circuito y la
potencia que disipa cada componente.
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
74
3.- Determine la respuesta en frecuencia y el ancho de banda definido
por los puntos de media potencia.
4.- ¿Cómo varía la amplitud y las frecuencias de corte si se duplica la
ganancia del amplificador?
5.- Haga una tabla con todos los valores teóricos obtenidos con el
simulador.
INFORME FINAL:
1.- Haga una tabla comparando los valores teóricos con los
experimentales y explique las razones de las diferencias que hubieren.
2.- Halle los diagramas de Bode empleando MATLAB.
3.- ¿Qué conclusiones saca de las mediciones efectuadas?
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
75
LABORATORIO Nº 11
FILTRO ACTIVO PASA TODO O DESFASADOR
OBJETIVO:
Estudio del amplificador operacional como filtro activo pasa banda o
desfasador y medición de su rango de desfasaje con la frecuencia.
FUNDAMENTO TEORICO:
El filtro pasa todo, como su nombre lo indica, debe dejar pasar todas las
frecuencias. En los circuitos reales, este comportamiento está limitado por
las características de respuesta en frecuencia del amplificador. Su
característica más útil es que puede desfasar un ángulo entre 0° y a180°.
Para ilustrar ello, analizaremos el circuito de la experiencia:
R310K
C0.1uF
+ Vcc
- Vcc
+
Vo
-Vi
V+
R122K
P10K
-
+
LM741
3
26
47
R222K
La señal de entrada ingresa tanto por la entrada inversora como por la no
inversora. Como el circuito funciona en forma lineal, podemos aplicar
superposición y las ecuaciones de las ganancias como amplificador
inversor y no inversor:
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
76
Luego: Vo = - (R2/R1) Vi + (1 + R2/R1)V+
Ahora hallamos V+ en función de Vi:
V+ = [(R3 + P)C s]/[1 + (R3 + P)C s]
Hallamos la función de transferencia reemplazando V+ en la expresión de
Vo
(R2/R1)[(R3 + P)RC s – 1]
H(s) = ---------------------------
(R3 + P)C s + 1
En el estado estacionario, la fase es dada por la expresión:
θ= 180 – 2arctan[ω(R3 + P)C
MATERIAL Y EQUIPO:
01 OPAMP LM741 01 Osciloscopio
01 Resistor de 10kΩ, 0.5W 01 Generador de funciones
02 Resistor de 22kΩ,0.5W 01 Fuente de alimentación
01 Potenciometro de 10kΩ 03 Puntas de prueba
01 condensadores cerámico
0.1uF/50V
01 Protoboard
PROCEDIMIENTO:
1.- Ensamble el siguiente circuito:
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
77
R310K
C0.1uF
+ Vcc
- Vcc
+
Vo
-Vi
V+
R122K
P10K
-
+
LM741
3
26
47
R222K
Ponga especial cuidado al momento de conectar las tensiones de
alimentación:
Pin 7 : + 12 Vdc
Pin 4 : - 12 Vdc
2.- Ponga el generador con onda sinusoidal, frecuencia de 60 Hz y
amplitud de 2 voltios pico y conéctelo a la entrada del circuito.
3.- Ajuste el potenciómetro para obtener un desfasaje de 120 grados en la
señal de salida.
4.- Encienda el osciloscopio y ponga el canal 1 con la entrada (Vi) y el
canal 2 con la salida (Vo).
5.- Llene la siguiente tabla anotando los voltajes de salida y el desfasaje de
la señal de salida respecto a la de entrada:
F(Hz) 20 30 60 100 200 500 1K 2K 5K
Vo
Φ
6.- Apague el circuito y mida, con el multímetro, el valor ajustado en el
potenciómetro.
Igualmente, mida los valores de los demás componentes para verificar sus
cálculos teóricos.
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
78
INFORME PREVIO:
1.- Haga los cálculos empleando el simulador CIRCUIT MAKER o similar.
2.- Determine los voltajes continuos en todos los nudos del circuito.
Determine también la corriente total que consume el circuito y la
potencia que disipa cada componente.
3.- Determine la respuesta en frecuencia y el ancho de banda definido
por los puntos de media potencia.
4.- ¿Cómo varía la fase de la señal de salida con la frecuencia?
5.- Haga una tabla con todos los valores teóricos obtenidos con el
simulador.
INFORME FINAL:
1.- Haga una tabla comparando los valores teóricos con los
experimentales y explique las razones de las diferencias que hubieren.
2.- Halle los diagramas de Bode empleando MATLAB.
3.- ¿Qué conclusiones saca de las mediciones efectuadas?
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
79
LABORATORIO Nº 12
MEDICION DE PARAMETROS DEL AMPLIFICADOR
OPERACIONAL
OBJETIVO:
Estudio de circuitos que permiten medir algunos de los parámetros más
importantes DEL amplificador operacional.
MATERIAL Y EQUIPO:
01 OPAMP LM741 01 Osciloscopio
01 Resistor de 100Ω,0.5W 01 Generador de función
01 Resistor de 1kΩ, 0.5W 01 Fuente de alimentación
01 Resistores de 10kΩ,0.5W 03 Puntas de prueba
02 Resistores de 100kΩ,0.5W 01 Protoboard
PROCEDIMIENTO:
1.- Medición de la ganancia sin realimentación.
Ensamble el siguiente circuito:
- 12V
Ry
100
-
+
U1
LM741
3
26
7 14 5
V1
+
Vo
-
+
Vg
-
Rx
100K
RL
1K
+12V
Ri
10K
Rf 100K
Ponga especial cuidado al momento de conectar las tensiones de
alimentación:
Pin 7 : + 12 Vdc
Pin 4 : - 12 Vdc
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
80
2.- Encienda el circuito y aplique, con el generador, una señal de entrada,
Vi, de 5 Hz y ajuste su amplitud hasta que se pueda medir la tensión V1
con el osciloscopio.
Al ajuste Vi verifique también que la señal de salida no se distorsiona.
Amplitud pico-pico de V1: ....................................................
Amplitud pico- pico de Vo: ....................................................
La ganancia puede calcularla con la expresión: A = (Vo / V1) (Rx / Ry)
3.- Medición del voltaje offset de tensión.
Ensamble el siguiente circuito:
+ 12V
+
Vo
-
-
+
U1
LM741
3
26
7 14 5
R1
1K
- 12V
R2 100K
Mida con el multímetro la tensión DC de salida
Calcule Vos = Vo (R1 / (R1 + R2))
4.- Medición de las corrientes de polarización de entrada y del offset de
corriente.
Ensamble el siguiente circuito:
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
81
+
Vo
-
-
+
U1
LM741
3
26
7 14 5
- 12V
+ 12V
R1
10K
Cortocircuite R1 y mida la tensión DC de salida:
Vo = _________________
Quite el cortocircuito y mida nuevamente la tensión DC de salida:
Vo1 = _________________
Calcule Ibias+ = (Vo1 – Vo) / R1
5.- Ensamble el siguiente circuito:
Cortocircuite R1 y mida la tensión DC de salida:
Vo = ___________________
Quite el cortocircuito y mida nuevamente la tensión
DC de salida:
Vo1 = _________________
Calcule Ibias - = (Vo1 – Vo) / R1
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
82
R1
10K
+
Vo
-
-
+
U1
LM741
3
26
7 14 5
- 12V
+ 12V
Calcule la corriente de offset: Ios = Ibias+ - Ibias -
INFORME:
1.- Adjunte el informe previo al informe final.
2.- Obtenga la información técnica del amplificador operacional LM741.
3.- Haga una tabla comparando los valores del manual con los
experimentales y explique las razones de las diferencias que hubieren.
4.- ¿Qué métodos recomienda el fabricante para eliminar el offset?.
5.- ¿Qué gráficos del opamp entrega el fabricante y para qué sirven?
6.- Indique sus conclusiones y observaciones.
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
83
LABORATORIO Nº 13
RESPUESTA EN BAJA FRECUENCIA
OBJETIVO:
Estudio de un amplificador transistorizado para determinar su respuesta en
baja frecuencia.
FUNDAMENTO TEORICO:
En líneas generales, el estudio de los amplificadores en el dominio de la
frecuencia (al excitar al amplificador con señales sinusoidales) se divide en
tres partes:
Respuesta en baja frecuencia: Un amplificador puede variar su ganancia
en frecuencias bajas (desde frecuencia 0 (ó DC) hasta una frecuencia fL)
debido principalmente a las reactancias externas del circuito (por
ejemplo, capacidades de acoplo y bypass). La frecuencia fL (ó wL) recibe
el nombre de frecuencia de corte inferior. Aquí, para realizar el análisis, se
utilizan los modelos de baja frecuencia del transistor junto con las
reactancias externas, que no deben despreciarse.
Una excepción es el amplificador operacional, que puede responder con
su máxima ganancia desde DC.
Respuesta en frecuencias medias: En esta región el amplificador actúa
con su máxima ganancia y sus parámetros pueden considerarse como
números reales. Aquí se utilizan los modelos de baja frecuencia del
transistor. Las reactancias externas pequeñas pueden ser consideradas
como cortocircuitos y las reactancias grandes como circuitos abiertos.
Respuesta en alta frecuencia: En esta región el amplificador disminuye su
ganancia al aumentar la frecuencia (desde el valor fH). La frecuencia fH
(ó wH) recibe el nombre de frecuencia de corte superior. Este fenómeno
se debe a las reactancias internas de los transistores. En general, el
amplificador no puede aumentar o mantener constante su ganancia
indefinidamente al aumentar la frecuencia. Siempre habrá alguna
frecuencia alta a la cual la ganancia empieza a disminuir. Esto nos indica
que siempre habrán más polos que ceros en su función de transferencia
Puntos de media potencia y ancho de banda:
Comúnmente las frecuencias fL (ó wL) y fH (ó wH), anteriormente
mencionadas, se determinan en los puntos en que la señal de salida
corresponde a la mitad de la potencia que tiene en frecuencias medias.
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
84
Cuando la ganancia se expresa en decibeles, los puntos de media
potencia se determinan restando 3 db a la ganancia en frecuencias
medias.
El ancho de banda de un amplificador se define como la diferencia entre
las frecuencias de corte superior y de corte inferior:
BW = fH – fL (usando la frecuencia cíclica) ó
BW = wH - wL (usando la frecuencia angular)
Hay casos en los cuales el ancho de banda se define con diferente
criterio, como es el caso de los amplificadores de vídeo, donde se
determina en base a restar sólo 1 db a la ganancia en la región de
frecuencias medias debido a que la vista puede detectar variaciones más
pequeñas de los niveles de iluminación.
A continuación analizaremos con pequeña señal al circuito de la
experiencia, cuyo esquema se muestra a continuación:
Q2N2222
RL10K
Vi
C20.33uF
+ 12 V
RC3K3
R22K
+
Vo
-
R122K
C10.33uF
RE220 CE
1uF
Para estudiar la respuesta en baja frecuencia hallaremos la función de
transferencia (ganancia de tensión) considerando sólo las capacidades
externas y asumiremos que las capacidades internas del transistor son
circuitos abiertos a estas frecuencias.
A continuación representamos al circuito con su modelo para señal:
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
85
C1
CE
Rb
Q
Vi RC
RE
C2
RL + Vo -
Rb = R1//R2
A continuación reemplazamos al transistor por su modelo simplificado para
pequeña señal y baja frecuencia. Vemos que en este caso las
capacidades de desacoplo y bypass no se desprecian.
RC
hie
RE
RL
C2
CE
Vg
C1
+
Vo
-
hf e ib
Rb
ib
Planteamos las ecuaciones de Kirchoff para obtener la función de
transferencia:
En el circuito de salida:
Vo = - (hfe RC RL C2 s)ib / [1 + (RC + RL)C2 s]
En el circuito de entrada:
ib = (RbC1 s)(1+RECE s)/[(1+hfeRE)(1+RbC1 s) +
(1+RECE s)(1+RbC1 s)hie + (1+RECE s)Rb]
Finalmente:
0
g
V (s) hfe RC (RL C2 s)(RbC1 s)(1 RECE s)Av(s)=
V (s) [(1 hfeRE)(1 RbC1 s) (1 RECE s)(1 RbC1 s)hie (1 RECE s)Rb](1 (RC RL)C2 s)
Hacer el cálculo manual de una función como la mostrada (o de otras
más complejas) es un trabajo largo y tedioso. Sin embargo, podemos
observar la función de transferencia y sacar algunas conclusiones que nos
permitan obtener una idea de la forma de la respuesta en baja frecuencia
con cálculos más sencillos aunque aproximados.
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
86
Observamos que esta función de transferencia tiene 3 ceros:
- Dos en el origen: s = 0 y
- Uno en: s = -1/ RECE
Podemos decir que el cero producido por CE se obtiene multiplicándolo
por la resistencia que tiene en paralelo. Este producto es la constante de
tiempo en el emisor.
Observamos también que la función de transferencia en baja frecuencia
tiene 3 polos:
- Uno en: s = -1/(RC+ RL)C2
En este caso podemos decir que el polo de salida se obtiene con la
resistencia que ``ve´´ C2 cuando los demás condensadores se comportan
como cortocircuitos y no hay señal de entrada.
- Los otros dos polos corresponden a un factor de segundo orden. Sin
embargo, podemos aplicar el criterio anterior para determinar
aproximadamente los otros dos polos mediante valores reales:
Podemos hallar aproximadamente el polo introducido por C1
determinando la resistencia que ``ve´´ dicho condensador cuando los
demás se comportan como cortocircuito y no hay señal de entrada:
Según esto, la resistencia que ``ve´´ C1 es: Rb//hie
Luego, el polo aproximado producido por C1 es:
s = -1/(C1)(Rb//hie)
Al polo introducido por lo CE también podemos determinarlo
aproximadamente mediante la resistencia que ``ve´´ dicho condensador
cuando los demás se comportan como cortocircuito y no hay señal de
entrada:
Según esto, la resistencia que ``ve´´ CE es:
RE//(hie/(1 + hfe)) = RE//hib
Luego, el polo aproximado producido por CE es:
s = -1/(CE)( RE//(hie/(1 + hfe))
Donde hib es la resistencia de entrada del transistor en base común.
Supongamos ahora que a la función de transferencia anterior podemos
factorizarla y expresarla en la forma siguiente:
Av(s) = Vo(s)/Vi(s)=-Ao[(s)**2](1 + s/zE)/[(1 +
s/p1)(1 + s/pE)(1 + s/p2)]
Multiplicando el numerador y el denominador por:
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
87
[p1pEp2] / [(s)**3] y desarrollando
Obtenemos en el estado estacionario:
Ao (1/ jw 1 / zE) (p1 p2 pE)Av jw
1 1/ jw (p1 p2 pE) 1/ jw **2 (p1p2 p1pE p2pE _) 1/ jw **3 p1p2pE
Si queremos determinar la frecuencia de corte inferior (wL), debemos notar
que, por lo general, p1, p2 y pE serán menores que wL; entonces, a
frecuencias cercanas a wL los términos cuadráticos y cúbicos serán más
chicos que el término con 1/jw.
Cumpliéndose lo anterior, podremos afirmar que la frecuencia de corte
inferior puede ser hallada aproximadamente por la expresión:
wL = p1 + p2 + pE
A su vez, p1, p2, y pE se pueden hallar bajo el criterio anterior,
determinando la resistencia que ``ve´´ cada condensador cuando los
demás se comportan como cortocircuito y la señal de entrada se hace
cero.
MATERIAL Y EQUIPO:
01 Transistor 2N2222A 01 Osciloscopio
01 Resistor de 220Ω,0.5W 01 Generador de función
01 Resistor de 2kΩ, 0.5W 01 Fuente de alimentación
01 Resistores de 3.3kΩ,0.5W 03 Puntas de prueba
01 Resistores de 22kΩ,0.5W 01 Protoboard
01 Potenciómetro de 5kΩ
02 Condensadores electrolítico de 10uF y 100uF, de 16V
PROCEDIMIENTO:
1.- Ensamble el siguiente circuito:
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
88
Q12N2222
RL10K
Vi
Co0.33uF
+ 12 V
RC3K3
R22K
+
Vo
-
R122K
Ci0.33uF
RE220 CE
1uF
2.- Mediciones en DC:
Poner: Vi = 0
Mida la tensión en el Colector respecto a tierra:
VC = _____________
Mida la tensión en el Emisor respecto a tierra:
VE = _______________
Mida la tensión en la Base respecto a tierra:
VB = _________________
Mida la tensión en la Fuente respecto a tierra:
VF = ______________
Halle el punto de operación:
ICQ = (VF – VC) / 3.3K VCEQ = VC – VE VBEQ = VB - VE
3.- Aplique la señal de entrada Vi con mínimo voltaje y frecuencia de 1
KHz. El potenciómetro de 5KΩ se usará para ajustar la señal de entrada en
caso que la amplitud mínima del generador sea muy grande.
4.- Conecte el osciloscopio a la entrada y a la salida y aumente Vi hasta
que la señal de salida aumente á 2 voltios pico-pico.
Vi =____________; Vo = ___________
Dibuje la forma de onda en la salida anotando los voltajes de los picos
positivo y negativo.
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
89
5.- Con el nivel de Vi del paso 3 mida la respuesta en frecuencia del
circuito:
F
(Hz)
10 50 100 200 300 500 1K 2K 3K 5K 6K
Vsalida
(Vp-p)
INFORME PREVIO:
1.- Haga los cálculos empleando el simulador CIRCUIT MAKER o similar.
2.- Determine los voltajes continuos en todos los nudos del circuito.
Determine también la corriente total que consume el circuito y la potencia
que disipa cada componente.
3.- Determine la respuesta en baja frecuencia y la frecuencia de corte
inferior á 3 db.
4.- Repita el paso 3 utilizando MATLAB.
5.- Haga una tabla con todos los valores teóricos obtenidos con el
simulador.
INFORME FINAL:
1.- Haga una tabla comparando los valores teóricos con los valores
experimentales.
2.- Grafique la ganancia de tensión vs. frecuencia, con los datos del paso
5 de la experiencia.
3.- Determine, con las mediciones, la frecuencia de corte inferior, wL.
4.- ¿Por qué la ganancia en frecuencias bajas disminuye respecto al rango
de frecuencias medias?
5.- Haga una lista de sus observaciones y conclusiones.
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y MECATRONICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II
AUTOR: ING. MOISES LEUREYROS P.
LABORATORIOS ESPECIALIZADOS / FIEM / 2011
90
INDICE
REGLAMENTO DE LABORATORIO
LAB 01. AMPLIFICADOR CLASE A CON CARGA EN COLECTOR
LAB 02. AMPLIFICADOR DE SIMETRIA COMPLEMENTARIA
LAB 03. REALIMENTACION NEGATIVA
LAB 04. OSCILADOR DE ROTACION DE FASE
LAB 05. OSCILADOR COLPITTS
LAB 06. OSCILADOR HARTLEY
LAB 07. AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
LAB 08. OSCILADOR PUENTE DE WIEN
LAB 09. FILTRO ACTIVO PASA BAJO
LAB 010. FILTRO ACTIVO PASA BANDA
LAB 011. FILTRO ACTIVO PASA TODO O DESFASADOR
LAB 012. MEDICION DE PARAMETROS DEL AMPLIFICADOR
PERACIONAL
LAB 013. RESPUESTA EN BAJA FRECUENCIA